摘要

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

    簡介

    電池供電的便攜式設備越來越多，在如今的生活中扮演的角色也愈發(fā)重要。這個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），收集和存儲能源，并穩(wěn)定提供給用戶。其中一些應用需要快速充電或放電。這里我們將要介紹的是一種雙向DC-DC轉換器，其雙向性允許電流發(fā)生器同時具備充電和放電能力。雙向控制器可以為汽車雙電池系統(tǒng)提供出色的性能和便利性。而且，在降壓和升壓模式中采用相同的電路模塊，大大降低了系統(tǒng)的復雜性和尺寸，甚至可以獲得高達97％的能源效率，并且可以控制雙向傳遞的   電流。

    電氣原理

    圖1顯示了簡單但功能齊全的電氣圖，其對稱配置可讓用戶選擇四種不同的工作模式。它由四個級聯(lián)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(jù)不同電子開關的功能，電路可以降低或升高輸入電壓。開關元件由碳化硅（SiC） MOSFET UF3C065080T3S組成，當然也可以用其它器件代替。

    圖1：雙向降壓-升壓轉換器接線圖

    四種工作模式

    用戶可以簡單配置四個MOSFET來決定電路的工作模式，具體包括如下四種：

    電池位于“A”端，負載位于“B”端，從“A”到“B”為降壓

    電池位于“A”端，負載位于“B”端，從“A”到“B”為升壓

    電池位于“B”端，負載位于“A”端，從“B”到“A”為降壓

    電池位于“B”端，負載位于“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工作：

    導通，對地為正電壓；

    關斷，電壓為0；

    脈動，具方波和50%PWM。其頻率應根據(jù)具體工作條件進行選擇。

    根據(jù)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的工作模式和作用

    模式一：降壓（Buck）A-B

    選擇模式一，電路將作為降壓器工作，即輸出電壓低于輸入電壓的轉換器。這種電路也稱為“step-down”。 其電壓發(fā)生器需連接在A側，而負載連接在B側。負載效率取決于所采用的MOSFET器件。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中的曲線圖顯示了Buck A-B模式下的輸入和輸出電壓。其輸入電壓為12 V，輸出電壓約為9 V，因此電路可用作降壓器。其開關頻率選擇為10 kHz，輸出端負載為22 Ohm，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，即作為輸出電壓高于輸入電壓的轉換器。這種電路也稱為“step-up”。 電壓發(fā)生器需連接在A側，而負載連接在B側。負載效率取決于所采用的MOSFET器件。具體配置如下：

    SW1：導通，即關閉開關（柵級供電）

    SW2：關斷，即斷開開關

    SW3：關斷，即斷開開關

    SW4：以10 kHz方波頻率進行切換

    圖4中的曲線圖顯示了Boost A-B模式下的輸入和輸出電壓。其輸入電壓為12 V，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10 kHz，輸出端負載為22 Ohm，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，電路也作為降壓器工作，即輸出電壓低于輸入電壓的轉換器。其電壓發(fā)生器需連接在B側，而負載連接在A側。負載效率取決于所采用的MOSFET器件。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中的曲線圖顯示了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100 kHz，輸出端負載為10 Ohm。

    模式四：升壓B-A

    選擇模式四，電路作為升壓器工作，即輸出電壓高于輸入電壓的轉換器。這種電路也稱為“step-up”。其電壓發(fā)生器需連接在B側，而負載連接在A側。負載效率取決于所采用的MOSFET器件。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中的曲線圖顯示了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

    結論

    電路的效率取決于許多因素，首先是所采用的MOSFET導通電阻Rds（on），它決定了電流是否容易通過（見圖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）同時處于導通狀態(tài)，則可能造成短路，從而損壞器件。