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用碳化硅MOSFET如何設計雙向降壓-升壓轉(zhuǎn)換器?

發(fā)布時間:2020-12-01 來源:雪球,作者:化合物半導體市場 責任編輯:lina

【導讀】電池供電的便攜設備越來越多,在今日生活中扮演的角色也越來越重要。這個趨勢還取決于高能量儲存技術的發(fā)展,例如鋰離子(Li-ion)電池和超級電容器。
 
電池供電的便攜設備越來越多,在今日生活中扮演的角色也越來越重要。這個趨勢還取決于高能量儲存技術的發(fā)展,例如鋰離子(Li-ion)電池和超級電容器。
 
這些儲能設備連接到可再生能源系統(tǒng)(太陽能和風能),收集和儲存能源,并穩(wěn)定提供給用戶,其中一些應用需要快速充電或放電。
 
這里我們將要介紹的是一種雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器,其雙向性允許電流產(chǎn)生器同時具備充電和放電能力。
 
雙向控制器可以車用雙電池系統(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)的復雜性和尺寸,甚至可以取得高達97%的能源效率,并且可以控制雙向傳遞的最大電流。
 
電氣原理
圖1顯示了簡單但功能齊全的電氣圖,其對稱配置可讓用戶選擇四種不同的運作模式。它由四個級聯(lián)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的單相象限組成,包括四個開關、一個電感器和兩個電容器。
 
根據(jù)不同電子開關的功能,電路可以降低或升高輸入電壓。開關組件由碳化硅(SiC) MOSFET UF3C065080T3S組成,當然也可以用其他組件代替。
 
如何使用碳化硅MOSFET設計雙向降壓-升壓轉(zhuǎn)換器?
圖1:雙向降壓-升壓轉(zhuǎn)換器接線圖
 
四種運作模式
用戶可以簡單配置四個MOSFET來決定電路的運作模式,具體包括如下四種:
 
· 電池位于A端,負載位于B端,從A到B為降壓;
· 電池位于A端,負載位于B端,從A到B為升壓;
· 電池位于B端,負載位于A端,從B到A為降壓;
· 電池位于B端,負載位于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作:
 
· 導通,對地為正電壓;
· 關斷,電壓為0;
· 脈動(Pulsating),具方波和50% PWM;其頻率應根據(jù)具體運作條件進行選擇。
 
根據(jù)這些標準,SiC MOSFET的功能遵循圖2中所示的表格。
 
如何使用碳化硅MOSFET設計雙向降壓-升壓轉(zhuǎn)換器?
圖2:四個SiC MOSFET的運作模式和作用
 
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),而負載連接在B側(cè)。負載效率取決于所采用的MOSFET組件。具體配置如下:
 
· SW1:以10 kHz方波頻率進行切換;
· SW2:關斷,即斷開開關;
· SW3:關斷,即斷開開關;
· SW4:關斷,即斷開開關。
 
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。其開關頻率選擇為10kHz,輸出端負載為22Ohm,功耗約為4W。
 
如何使用碳化硅MOSFET設計雙向降壓-升壓轉(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),而負載連接在B側(cè)。負載效率取決于所采用的MOSFET組件。具體配置如下:
 
· SW1:導通,即關閉開關(閘極供電);
· SW2:關斷,即斷開開關;
· SW3:關斷,即斷開開關;
· SW4:以10kHz方波頻率進行切換。
 
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。其開關頻率選擇為10kHz,輸出端負載為22Ohm,功耗約為55W。
 
如何使用碳化硅MOSFET設計雙向降壓-升壓轉(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),而負載連接在A側(cè),負載效率取決于所采用的MOSFET組件。具體配置如下:
 
· SW1:關斷,即斷開開關;
· SW2:關斷,即斷開開關;
· SW3:以100 kHz方波頻率進行切換;
 
· SW4:關斷,即斷開開關。
 
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。其開關頻率選擇為100kHz,輸出端負載為10Ohm。
 
如何使用碳化硅MOSFET設計雙向降壓-升壓轉(zhuǎn)換器?
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),而負載連接在A側(cè)。負載效率取決于所采用的MOSFET組件。具體配置如下:
 
· SW1:關斷,即斷開開關;
· SW2:以100 kHz方波頻率進行切換;
· SW3:導通,即關閉開關(柵級供電);
· SW4:關斷,即斷開開關。
 
圖6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。其開關頻率選擇為100 kHz,輸出端負載為22 Ohm,功耗約為22W。
 
如何使用碳化硅MOSFET設計雙向降壓-升壓轉(zhuǎn)換器?
圖6:Boost B-A模式下的輸入和輸出電壓
 
結(jié)語
電路的效率取決于許多因素,首先是所采用的MOSFET導通電阻Rds(on),它決定了電流是否容易通過(如圖7)。另外,這種配有四個功率開關的電路需要進行認真的安全檢查;如果SW1和SW2 (或SW3和SW4)同時處于導通狀態(tài),則可能造成短路,從而損壞組件。
 
如何使用碳化硅MOSFET設計雙向降壓-升壓轉(zhuǎn)換器?
圖7:Boost A-B模式下,電感上的脈動電壓和電流曲線圖
 
(轉(zhuǎn)載來源:雪球,作者:化合物半導體市場)
 
 
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