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  • 碳化硅MOSFET設(shè)計(jì)的雙向降壓-升壓轉(zhuǎn)換器介紹
    • 發(fā)布時(shí)間:2022-05-07 17:51:02
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    碳化硅MOSFET設(shè)計(jì)的雙向降壓-升壓轉(zhuǎn)換器介紹
    電池供電的便攜設(shè)備越來(lái)越多,在今日生活中扮演的角色也越來(lái)越重要。這個(gè)趨勢(shì)還取決于高能量?jī)?chǔ)存技術(shù)的發(fā)展,例如鋰離子(Li-ion)電池和超級(jí)電容器。
    這些儲(chǔ)能設(shè)備連接到可再生能源系統(tǒng)(太陽(yáng)能和風(fēng)能),收集和儲(chǔ)存能源,并穩(wěn)定提供給用戶,其中一些應(yīng)用需要快速充電或放電。
    本文介紹的是一種雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器,其雙向性允許電流產(chǎn)生器同時(shí)具備充電和放電能力。雙向控制器可以車(chē)用雙電池系統(tǒng)提供出色的性能和便利性。
    而且在降壓和升壓模式中采用相同的電路模塊大幅降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性和尺寸,甚至可以取得高達(dá)97%的能源效率,并且可以控制雙向傳遞的大電流。
    電氣原理
    圖1顯示了簡(jiǎn)單但功能齊全的電氣圖,其對(duì)稱配置可讓用戶選擇四種不同的運(yùn)作模式。它由四個(gè)級(jí)聯(lián)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的單相象限組成,包括四個(gè)開(kāi)關(guān)、一個(gè)電感器和兩個(gè)電容器。
    根據(jù)不同電子開(kāi)關(guān)的功能,電路可以降低或升高輸入電壓。開(kāi)關(guān)組件由碳化硅(SiC) MOSFET UF3C065080T3S組成,當(dāng)然也可以用其他組件代替。
    碳化硅MOSFET 轉(zhuǎn)換器
    圖1:雙向降壓-升壓轉(zhuǎn)換器接線圖
    四種運(yùn)作模式
    用戶可以簡(jiǎn)單配置四個(gè)MOSFET來(lái)決定電路的運(yùn)作模式,具體包括如下四種:
    電池位于A端,負(fù)載位于B端,從A到B為降壓;
    電池位于A端,負(fù)載位于B端,從A到B為升壓;
    電池位于B端,負(fù)載位于A端,從B到A為降壓;
    電池位于B端,負(fù)載位于A端,從B到A為升壓;
    在該電路中,SiC MOSFET可以三種不同的方式運(yùn)作:
    導(dǎo)通,對(duì)地為正電壓;
    關(guān)斷,電壓為0;
    脈動(dòng)(Pulsating),具方波和50% PWM;其頻率應(yīng)根據(jù)具體運(yùn)作條件進(jìn)行選擇。
    根據(jù)這些標(biāo)準(zhǔn),SiC MOSFET的功能遵循圖2中所示的表格:
    碳化硅MOSFET 轉(zhuǎn)換器
    圖2:四個(gè)SiC MOSFET的運(yùn)作模式和作用
    模式一:降壓(Buck)A-B
    選擇模式一,電路做為降壓器,即輸出電壓低于輸入電壓的轉(zhuǎn)換器。這種電路也稱為“step-down”,其電壓產(chǎn)生器需連接在A側(cè),而負(fù)載連接在B側(cè)。負(fù)載效率取決于所采用的MOSFET組件。
    具體配置如下:
    SW1:以10 kHz方波頻率進(jìn)行切換;
    SW2:關(guān)斷,即斷開(kāi)開(kāi)關(guān);
    SW3:關(guān)斷,即斷開(kāi)開(kāi)關(guān);
    SW4:關(guān)斷,即斷開(kāi)開(kāi)關(guān)。
    圖3中顯示了Buck A-B模式下的輸入和輸出電壓;其輸入電壓為12V,輸出電壓約為9V,因此電路可用作降壓器。其開(kāi)關(guān)頻率選擇為10kHz,輸出端負(fù)載為22Ohm,功耗約為4W。
    碳化硅MOSFET 轉(zhuǎn)換器
    圖3:Buck A-B模式下的輸入和輸出電壓
    模式二:升壓A-B
    模式二提供升壓操作,即作為輸出電壓高于輸入電壓的轉(zhuǎn)換器。這種電路也稱為“step-up”。 電壓產(chǎn)生器需連接在A側(cè),而負(fù)載連接在B側(cè)。負(fù)載效率取決于所采用的MOSFET組件。
    具體配置如下:
    SW1:導(dǎo)通,即關(guān)閉開(kāi)關(guān)(閘極供電);
    SW2:關(guān)斷,即斷開(kāi)開(kāi)關(guān);
    SW3:關(guān)斷,即斷開(kāi)開(kāi)關(guān);
    SW4:以10kHz方波頻率進(jìn)行切換。
    圖4顯示了Boost A-B模式下的輸入和輸出電壓,其輸入電壓為12V,輸出電壓約為35V,因此電路可用作升壓器。其開(kāi)關(guān)頻率選擇為10kHz,輸出端負(fù)載為22Ohm,功耗約為55W。
    碳化硅MOSFET 轉(zhuǎn)換器
    圖4:Boost A-B模式下的輸入和輸出電壓
    模式三:降壓B-A
    選擇模式三,電路也做為降壓器運(yùn)作,即輸出電壓低于輸入電壓的轉(zhuǎn)換器。其電壓產(chǎn)生器需連接在B側(cè),而負(fù)載連接在A側(cè),負(fù)載效率取決于所采用的MOSFET組件。
    具體配置如下:
    SW1:關(guān)斷,即斷開(kāi)開(kāi)關(guān);
    SW2:關(guān)斷,即斷開(kāi)開(kāi)關(guān);
    SW3:以100 kHz方波頻率進(jìn)行切換;
    SW4:關(guān)斷,即斷開(kāi)開(kāi)關(guān)。
    碳化硅MOSFET 轉(zhuǎn)換器
    圖5顯示了Buck B-A模式下的輸入和輸出電壓。
    其輸入電壓為24 V,輸出電壓約為6.6V,因此電路可用作降壓器。其開(kāi)關(guān)頻率選擇為100kHz,輸出端負(fù)載為10Ohm。
    圖5:Buck B-A模式下的輸入和輸出電壓
    模式四:升壓B-A
    選擇模式四,電路作為升壓器運(yùn)作,即輸出電壓高于輸入電壓的轉(zhuǎn)換器。這種電路也稱為“step-up”,其電壓產(chǎn)生器需連接在B側(cè),而負(fù)載連接在A側(cè)。負(fù)載效率取決于所采用的MOSFET組件。
    具體配置如下:
    SW1:關(guān)斷,即斷開(kāi)開(kāi)關(guān);
    SW2:以100 kHz方波頻率進(jìn)行切換;
    SW3:導(dǎo)通,即關(guān)閉開(kāi)關(guān)(柵級(jí)供電);
    SW4:關(guān)斷,即斷開(kāi)開(kāi)關(guān)。
    顯示了Boost B-A模式下的輸入和輸出電壓。其輸入電壓為18V,輸出電壓約為22V,因此電路可用作升壓器。其開(kāi)關(guān)頻率選擇為100 kHz,輸出端負(fù)載為22 Ohm,功耗約為22W。
    結(jié)語(yǔ)
    電路的效率取決于許多因素,首先是所采用的MOSFET導(dǎo)通電阻Rds(on),它決定了電流是否容易通過(guò)。
    另外,這種配有四個(gè)功率開(kāi)關(guān)的電路需要進(jìn)行認(rèn)真的安全檢查;如果SW1和SW2 (或SW3和SW4)同時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài),則可能造成短路,從而損壞組件。
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