如何用碳化硅MOSFET设计双向降压-升压转换器以实现97%能效？

作者:Power Electronics

EET电子工程专辑原创

随着电池和超级电容等高效蓄能器的大量使用，更好的电流控制成为一种趋势。而双向DC/DC转换器可以保持电池健康，并延长其使用寿命。

简介

电池供电的便携式设备越来越多，在如今的生活中扮演的角色也愈发重要。这个趋势还取决于高能量存储技术的发展，例如锂离子(Li-ion)电池和超级电容器。这些蓄能器连接到可再生能源系统(太阳能和风能)，收集和存储能源，并稳定提供给用户。其中一些应用需要快速充电或放电。这里我们将要介绍的是一种双向DC-DC转换器，其双向性允许电流发生器同时具备充电和放电能力。双向控制器可以为汽车双电池系统提供出色的性能和便利性。而且，在降压和升压模式中采用相同的电路模块，大大降低了系统的复杂性和尺寸，甚至可以获得高达97%的能源效率，并且可以控制双向传递的最大电流。

电气原理

图1显示了简单但功能齐全的电气图，其对称配置可让用户选择四种不同的工作模式。它由四个级联降压-升压转换器的单相象限组成，包括四个开关、一个电感器和两个电容器。根据不同电子开关的功能，电路可以降低或升高输入电压。开关元件由碳化硅(SiC) MOSFET UF3C065080T3S组成，当然也可以用其它器件代替。

图1：双向降压-升压转换器接线图

四种工作模式

用户可以简单配置四个MOSFET来决定电路的工作模式，具体包括如下四种：

• 电池位于“A”端，负载位于“B”端，从“A”到“B”为降压;
• 电池位于“A”端，负载位于“B”端，从“A”到“B”为升压;
• 电池位于“B”端，负载位于“A”端，从“B”到“A”为降压;
• 电池位于“B”端，负载位于“A”端，从“B”到“A”为升压;

在该电路中，SiC MOSFET可以三种不同的方式工作：

• 导通，对地为正电压;
• 关断，电压为0;
• 脉动，具方波和50%PWM。其频率应根据具体工作条件进行选择。

根据这些标准，SiC MOSFET的功能遵循图2中所示的表格。

图2：四个SiC MOSFET的工作模式和作用

模式一：降压(Buck)A-B

选择模式一，电路将作为降压器工作，即输出电压低于输入电压的转换器。这种电路也称为“step-down”。其电压发生器需连接在A侧，而负载连接在B侧。负载效率取决于所采用的MOSFET器件。具体配置如下：

• SW1：以10 kHz方波频率进行切换;
• SW2：关断，即断开开关;
• SW3：关断，即断开开关;
• SW4：关断，即断开开关。

图3中的曲线图显示了Buck A-B模式下的输入和输出电压。其输入电压为12 V，输出电压约为9 V，因此电路可用作降压器。其开关频率选择为10 kHz，输出端负载为22 Ohm，功耗约为4W。

图3：Buck A-B模式下的输入和输出电压

模式二：升压A-B

模式二提供升压操作，即作为输出电压高于输入电压的转换器。这种电路也称为“step-up”。电压发生器需连接在A侧，而负载连接在B侧。负载效率取决于所采用的MOSFET器件。具体配置如下：

• SW1：导通，即关闭开关(栅级供电);
• SW2：关断，即断开开关;
• SW3：关断，即断开开关;
• SW4：以10 kHz方波频率进行切换。

图4中的曲线图显示了Boost A-B模式下的输入和输出电压。其输入电压为12 V，输出电压约为35V，因此电路可用作升压器。其开关频率选择为10 kHz，输出端负载为22 Ohm，功耗约为55W。

图4：Boost A-B模式下的输入和输出电压

模式三：降压B-A

选择模式三，电路也作为降压器工作，即输出电压低于输入电压的转换器。其电压发生器需连接在B侧，而负载连接在A侧。负载效率取决于所采用的MOSFET器件。具体配置如下：

• SW1：关断，即断开开关;
• SW2：关断，即断开开关;
• SW3：以100 kHz方波频率进行切换;
• SW4：关断，即断开开关。

图5中的曲线图显示了Buck B-A模式下的输入和输出电压。其输入电压为24 V，输出电压约为6.6V，因此电路可用作降压器。其开关频率选择为100 kHz，输出端负载为10 Ohm。

图5：Buck B-A模式下的输入和输出电压

模式四：升压B-A

选择模式四，电路作为升压器工作，即输出电压高于输入电压的转换器。这种电路也称为“step-up”。其电压发生器需连接在B侧，而负载连接在A侧。负载效率取决于所采用的MOSFET器件。具体配置如下：

• SW1：关断，即断开开关;
• SW2：以100 kHz方波频率进行切换;
• SW3：导通，即关闭开关(栅级供电);
• SW4：关断，即断开开关。

图6中的曲线图显示了Boost B-A模式下的输入和输出电压。其输入电压为18V，输出电压约为22V，因此电路可用作升压器。其开关频率选择为100 kHz，输出端负载为22 Ohm，功耗约为22W。

图6：Boost B-A模式下的输入和输出电压

结论

电路的效率取决于许多因素，首先是所采用的MOSFET导通电阻Rds(on)，它决定了电流是否容易通过(见图7)。另外，这种配有四个功率开关的电路需要进行认真的安全检查。如果SW1和SW2(或SW3和SW4)同时处于导通状态，则可能造成短路，从而损坏器件。

图7：Boost A-B模式下，电感上的脉动电压和电流曲线图

来源：电子工程专辑