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隨著高效蓄能器（電池和超級(jí)電容器）的大量使用，趨勢(shì)是朝著更好的電流管理方向發(fā)展。雙向 DC/DC 轉(zhuǎn)換器可以保持電池健康并延長(zhǎng)其使用壽命。
介紹
電池供電的便攜式設(shè)備數(shù)量的增加在當(dāng)今的生活方式中發(fā)揮著重要作用。這一趨勢(shì)也受高能量存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展所支配，例如鋰離子 (Li-ion) 電池和超級(jí)電容器。這些蓄電池連接到可再生能源系統(tǒng)（太陽能和風(fēng)能）以收集和存儲(chǔ)能量并穩(wěn)定地提供給用戶。某些應(yīng)用程序需要快速/充電，反之亦然。我們將要描述的設(shè)備是雙向 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。雙向性允許電流發(fā)生器的充電和放電。雙向控制器為基于雙電池的汽車系統(tǒng)提供卓越的性能和簡(jiǎn)單性。降壓和升壓模式使用相同的電路模塊大大降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性和尺寸。
電氣原理圖
圖 1顯示了簡(jiǎn)單但功能齊全的電氣圖。對(duì)稱配置允許在四種不同的模式下運(yùn)行，用戶可選擇這些模式。它由四個(gè)作為級(jí)聯(lián)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器工作的單相象限組成。它包括四個(gè)開關(guān)、一個(gè)電感器和兩個(gè)電容器。根據(jù)電子開關(guān)的功能，電路可以降低或升高輸入電壓。開關(guān)元件由 UF3C065080T3S SiC MOSFET 組成，顯然可以用任何其他器件替換。
圖1：雙向Buck-Boost轉(zhuǎn)換器接線圖
四種操作模式
用戶可以通過簡(jiǎn)單地配置四個(gè) MOSFET 的操作來決定電路的操作。轉(zhuǎn)換器的工作模式如下：
??? ? 從“A”降壓到“B”，電池在“A”，負(fù)載在“B”；
??? ? 從“A”升壓到“B”，電池在“A”，負(fù)載在“B”；
??? ? 從“B”降壓到“A”，電池在“B”，負(fù)載在“A”；
??? ? 從“B”升壓到“A”，電池在“B”，負(fù)載在“A”。
在該電路中，SiC MOSFET 可以以三種不同的方式工作：
??? ? ON，對(duì)地電壓為正；
??? ? OFF，電壓等于0V；
??? ? 脈動(dòng)，方波和 50% PWM。應(yīng)根據(jù)工作條件選擇頻率。
基于這些標(biāo)準(zhǔn)，碳化硅 MOSFET的功能遵循圖 2所示表格中的功能。
圖 2：四個(gè) SiC MOSFET 的工作模式和作用
第一種模式：降壓AB
通過選擇第一種模式，電路作為降壓工作，即作為輸出電壓低于輸入電壓的轉(zhuǎn)換器。該電路也稱為“降壓”。對(duì)于操作，電壓發(fā)生器必須連接在 A 側(cè)，負(fù)載連接在 B 側(cè)。負(fù)載的效率取決于所使用的 MOSFET。它們的配置如下：
??? ? SW1：以10 kHz 方波頻率切換；
??? ? SW2：關(guān)，即開；
??? ? SW3：關(guān)，即開；
??? ? SW4：關(guān)閉，即打開。
圖 3中的圖表顯示了降壓 AB 模式下的輸入和輸出電壓。輸入電壓為 12 V，輸出端的電壓約為 9 V。因此，該電路用作降壓器。選擇的開關(guān)頻率為 10 kHz。連接到輸出的負(fù)載為 22 歐姆，功耗約為 4 W。
圖 3：該圖顯示了降壓 AB 模式下的輸入和輸出電壓
第二種模式：Boost AB
電路的第二模式提供作為升壓的操作，即作為其輸出電壓高于輸入電壓的轉(zhuǎn)換器。該電路也稱為“升壓”。運(yùn)行時(shí)，電壓發(fā)生器必須連接在 A 側(cè)，負(fù)載連接在 B 側(cè)。負(fù)載的效率取決于所使用的 MOSFET。它們的配置如下：
??? ? SW1：ON，即關(guān)閉（門供電）；
??? ? SW2：關(guān)，即開；
??? ? SW3：關(guān)，即開；
??? ? SW4：以10 kHz 方波頻率切換。
圖 4中的圖表顯示了 Boost AB 模式下的輸入和輸出電壓。輸入電壓為 12 V，輸出端的電壓約為 35 V。因此，該電路用作升壓器。選擇的開關(guān)頻率為 10 kHz。連接到輸出的負(fù)載為 22 歐姆，功耗約為 55 W。
圖 4：該圖顯示了 Boost AB 模式下的輸入和輸出電壓
第三種模式：降壓BA
在第三種模式下，電路再次作為降壓工作，即作為輸出電壓低于輸入電壓的轉(zhuǎn)換器。對(duì)于操作，電壓發(fā)生器必須連接在 B 側(cè)，負(fù)載連接在 A 側(cè)。負(fù)載的效率取決于所使用的 MOSFET。它們的配置如下：
???? ? SW1：OFF，即打開；
???? ? SW2：關(guān)，即開；
???? ? SW3：以100 kHz 方波頻率切換；
???? ? SW4：關(guān)閉，即打開。
圖 5中的圖表顯示了降壓 BA 模式下的輸入和輸出電壓。輸入電壓為 24 V，而輸出電壓約為 6.6 V。因此，該電路可用作降壓器。選擇的開關(guān)頻率為 100 kHz。連接到輸出的負(fù)載為 10 歐姆，功耗約為 4.4 W。
圖 5：該圖顯示了降壓 BA 模式下的輸入和輸出電壓
第四種模式：Boost BA
該電路的第四種模式提供作為升壓的操作，即作為其輸出電壓高于輸入電壓的轉(zhuǎn)換器。該電路也稱為“升壓”。運(yùn)行時(shí)，電壓發(fā)生器必須連接在 B 側(cè)，負(fù)載連接在 A 側(cè)。負(fù)載的效率取決于所使用的 MOSFET。它們的配置如下：
??? ? SW1：關(guān)閉
??? ? SW2：以100 kHz 方波頻率切換；
??? ? SW3：ON，即關(guān)閉（門供電）；
??? ? SW4：關(guān)閉。
圖 6中的圖表顯示了 Boost BA 模式下的輸入和輸出電壓。該示例的輸入電壓為 18 V，輸出端的電壓約為 22 V。因此，該電路用作升壓器。選擇的開關(guān)頻率為 100 kHz。連接到輸出的負(fù)載為 22 歐姆，功耗約為 22 W。
圖 6：該圖顯示了 Boost BA 模式下的輸入和輸出電壓
結(jié)論
電路的效率取決于許多因素，首先是所用 MOSFET 的 Rds(on)，以便電流更容易通過（見圖 7）。這種配備四個(gè)電源開關(guān)的電路需要進(jìn)行嚴(yán)格的安全檢查。如果 SW1 和 SW2（或 SW3 和 SW4）同時(shí)處于 ON 狀態(tài)，可能會(huì)造成短路，從而損壞組件。
圖 7：升壓 AB 模式下電感器上的脈動(dòng)電壓和電流圖
審核編輯：劉清
工商網(wǎng)監(jiān)
評(píng)論