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SiC MOSFET的雙向降壓-升壓轉換器設計方案

電子設計 ? 來源:powerelectronicsnews ? 作者:powerelectronicsnews ? 2021-04-07 16:32 ? 次閱讀

隨著大量使用高效的蓄能器(電池和超級電容器),趨勢是朝著更好的電流管理方向發(fā)展。雙向DC / DC轉換器可以保持電池健康并延長其使用壽命。

電池供電的便攜式設備數(shù)量的增加在當今的生活方式中起著重要作用。這種趨勢還取決于高能量存儲技術的發(fā)展,例如鋰離子(Li-ion)電池和超級電容器。這些蓄能器連接到可再生能源系統(tǒng)(太陽能和風能),以收集和存儲能源并將其穩(wěn)定地提供給用戶。某些應用需要快速充電/反之亦然。我們將要描述的設備是雙向DC-DC轉換器。雙向性允許電流發(fā)生器的充電和放電。雙向控制器可為基于汽車雙電池的系統(tǒng)提供出色的性能和簡便性。對于降壓和升壓模式使用相同的電路模塊,可以大大降低系統(tǒng)的復雜性和尺寸。

電氣原理圖

圖1顯示了簡單但功能齊全的電氣圖。對稱配置允許用戶選擇四種不同的模式進行操作。它由四個單相象限組成,它們用作級聯(lián)的降壓-升壓轉換器。它包括四個開關,一個電感器和兩個電容器。根據(jù)電子開關的功能,電路可以降低或升高輸入電壓。開關元件由UF3C065080T3S SiC MOSFET組成,顯然可以用任何其他器件代替。

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圖1:雙向降壓-升壓轉換器的接線圖

四種操作模式

用戶可以通過簡單地配置四個MOSFET的操作來決定電路的操作。轉換器的工作模式如下:

?電池從“ A”降到“ B”,電池在“ A”中,負載在“ B”中;

?電池從“ A”升至“ B”,電池在“ A”,負載在“ B”;

?電池從“ B”降到“ A”,電池在“ B”,負載在“ A”;

?電池在“ B”中,從“ B”升至“ A”,并在“ A”中加載。

在該電路中,SiC MOSFET可以三種不同的方式工作:

?ON,相對于地為正電壓;

?OFF,電壓等于0V;

?脈動,方波和50%PWM。頻率應根據(jù)工作條件選擇。

基于這些標準,SiC MOSFET的功能遵循圖2所示的表格。

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圖2:四個SiC MOSFET的工作模式和作用

第一模式:Buck AB

通過選擇第一模式,電路可作為降壓器工作,即作為其輸出電壓低于輸入電壓的轉換器。該電路也稱為“降壓”。為了進行操作,必須將電壓發(fā)生器連接在A側,將負載連接在B側。負載的效率取決于所用的MOSFET。它們的配置如下:

?SW1:以10 kHz方波頻率進行切換;

?SW2:關閉,即打開;

?SW3:關閉,即打開;

?SW4:關閉,即打開。

圖3中的曲線圖顯示了Buck AB模式下的輸入和輸出電壓。輸入電壓為12 V,輸出端存在約9 V的電壓。因此,該電路可用作降壓器。選擇的開關頻率為10 kHz。連接到輸出的負載為22 Ohm,耗散約4W。

pIYBAGBtbTiAbabIAADd3BMeeTA063.png

圖3:該圖顯示了Buck 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了作為升壓器的操作,即作為其輸出電壓高于輸入電壓的轉換器的操作。該電路也稱為“升壓”。為了運行,電壓發(fā)生器必須連接在A側,負載在B側。負載的效率取決于所用的MOSFET。它們的配置如下:

?SW1:ON,即關閉(門供電);

?SW2:關閉,即打開;

?SW3:關閉,即打開;

?SW4:以10 kHz方波頻率進行切換。

圖4中的曲線圖顯示了Boost AB模式下的輸入和輸出電壓。輸入電壓為12 V,輸出端存在約35 V的電壓。因此,該電路可用作升壓器。選擇的開關頻率為10 kHz。連接到輸出的負載為22歐姆,耗散約55W。

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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:Buck BA

在第三模式中,電路再次作為降壓器工作,即作為其輸出電壓低于輸入電壓的轉換器。為了進行操作,必須將電壓發(fā)生器連接在B側,將負載連接在A側。負載的效率取決于所用的MOSFET。它們的配置如下:

?SW1:關閉,即打開;

?SW2:關閉,即打開;

?SW3:以100 kHz的方波頻率進行切換;

?SW4:關閉,即打開。

圖5中的曲線圖顯示了Buck 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6.6V。因此,該電路可用作降壓器。選擇的開關頻率為100 kHz。連接到輸出的負載為10歐姆,耗散約4.4W。

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圖5:該圖顯示了Buck BA模式下的輸入和輸出電壓

第四種方式:Boost BA

電路的第四模式提供了升壓操作,即,其輸出電壓高于輸入電壓的轉換器。該電路也稱為“升壓”。為了運行,電壓發(fā)生器必須在B側連接,負載在A側。負載的效率取決于所用的MOSFET。它們的配置如下:

?SW1:關閉

?SW2:以100 kHz的方波頻率進行切換;

?SW3:ON,即關閉(門供電);

?SW4:關閉。

圖6中的曲線圖顯示了Boost BA模式下的輸入和輸出電壓。該示例的輸入電壓為18 V,輸出端存在約22 V的電壓。因此,該電路可用作升壓器。選擇的開關頻率為100 kHz。連接到輸出的負載為22 Ohm,耗散約22W。

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圖6:該圖顯示了Boost BA模式下的輸入和輸出電壓

結論

電路的效率取決于許多因素,首先是所使用的MOSFET的Rds(on),以使電流更容易通過(請參見圖7)。配備有四個電源開關的此類電路需要進行嚴格的安全檢查。如果SW1和SW2(或SW3和SW4)同時處于ON狀態(tài),則可能會造成短路,從而損壞組件。

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圖7:Boost AB模式下電感器上脈動電壓和電流的曲線圖

編輯:hfy

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