利用碳化矽MOSFET設計雙向降壓-升壓轉換器

作者 : Power Electronics News編輯團隊

隨著電池和超級電容等高效蓄能器的大量使用，朝向更好的電流控制發展成為一種趨勢。雙向DC/DC轉換器可以保持電池健康，並延長其使用壽命。

電池供電的可攜式裝置越來越多，在今日生活中扮演的角色也越來越重要。這個趨勢還取決於高能量儲存技術的發展，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(太陽能和風能)，收集和儲存能源，並穩定提供給用戶，其中一些應用需要快速充電或放電。

這裡我們將要介紹的是一種雙向DC-DC轉換器，其雙向性允許電流產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提供出色的性能和便利性。而且在降壓和升壓模式中採用相同的電路模組大幅降低了系統的複雜性和尺寸，甚至可以取得高達97%的能源效率，並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，其對稱配置可讓使用者選擇四種不同的運作模式。它由四個級聯降壓-升壓轉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。根據不同電子開關的功能，電路可以降低或升高輸入電壓。開關元件由碳化矽(SiC) MOSFET UF3C065080T3S組成，當然也可以用其他元件代替。

圖1：雙向降壓-升壓轉換器接線圖。

四種運作模式

使用者可以簡單配置四個MOSFET來決定電路的運作模式，具體包括如下四種：

• 電池位於A端，負載位於B端，從A到B為降壓；
• 電池位於A端，負載位於B端，從A到B為升壓；
• 電池位於B端，負載位於A端，從B到A為降壓；
• 電池位於B端，負載位於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；其頻率應根據具體運作條件進行選擇。

根據這些標準，SiC MOSFET的功能遵循圖2中所示的表格。

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，即輸出電壓低於輸入電壓的轉換器。這種電路也稱為「step-down」，其電壓產生器需連接在A側，而負載連接在B側。負載效率取決於所採用的MOSFET元件。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。

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，即作為輸出電壓高於輸入電壓的轉換器。這種電路也稱為「step-up」。 電壓產生器需連接在A側，而負載連接在B側。負載效率取決於所採用的MOSFET元件。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。

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，即輸出電壓低於輸入電壓的轉換器。其電壓產生器需連接在B側，而負載連接在A側，負載效率取決於所採用的MOSFET元件。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。

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，即輸出電壓高於輸入電壓的轉換器。這種電路也稱為「step-up」，其電壓產生器需連接在B側，而負載連接在A側。負載效率取決於所採用的MOSFET元件。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。

圖6：Boost B-A模式下的輸入和輸出電壓。

結語

電路的效率取決於許多因素，首先是所採用的MOSFET導通電阻R_ds(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)同時處於導通狀態，則可能造成短路，從而損壞元件。

圖7：Boost A-B模式下，電感上的脈動電壓和電流曲線圖。

責編：Judith Cheng

(參考原文：Let’s build a Bidirectional Buck-Boost Converter with SiC MOSFET )

訂閱EE Times Taiwan電子報