碳化硅MOSFET设计双向降压-升压转换器实现97%能效

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。今天为大家介绍的是一种双向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,并延长其使用寿命。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

图一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MOSFET RSM065030W组成,当然也可以用其它器件代替。

图一: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,碳化硅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,碳化硅MOSFET的功能遵循图二中所示的表格。

    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。
  • 图三中的曲线图显示了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。

    图三: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。
  • 图四中的曲线图显示了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。

    图四: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。
  • 图五中的曲线图显示了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。

    图五: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。
  • 图六中的曲线图显示了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。

    图六: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(见图七)。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。

    图七:Boost A-B模式下,电感上的脉动电压和电流曲线图

    瑞森-碳化硅MOSFET选型

  • 对标 Cree、Rohm、ST;
  • 已成功量产650V,1200V,1700V;
  • 采用沟道自对准工艺制作,器件一致性优异;
  • 具有竞争力的Ronsp,与1代产品相比,Ronsp减小20%,与2代产品相比也具有竞争力;
  • 产品规格:650V-1700V 30mΩ-1Ω;
  • 应用领域:太阳能逆变器,高压DC/DC变换器,UPS,新能源汽车充电桩。

  • 瑞森半导体
    REASUNOS,瑞森半导体是一家致力于功率半导体器件的研发、销售、技术支持与服务为一体的国家高新技术企业,研发团队成员主要来自行业顶尖技术精英和知名院校。现有产品线包括电源管理IC、硅基功率器件、硅基静电保护器件以及碳化硅基功率器件(碳化硅二极管和碳化硅MOS)。经过数年的技术积累和市场开拓,瑞森半导体已经成为全球开关电源、绿色照明、电机驱动、数码家电、安防工程、光伏逆变、5G基站电源、新能源汽车充电桩等行业的长期合作伙伴。

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