广告

用碳化硅MOSFET设计双向降压-升压转换器

2021-01-04 10:39:12 Power Electronics News编辑团队 阅读:
用碳化硅MOSFET设计双向降压-升压转换器
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。而双向DC/DC转换器可以保持电池健康,并延长其使用寿命。

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。而双向DC/DC转换器可以保持电池健康,并延长其使用寿命。EhQednc

简介

电池供电的便携式设备越来越多,在如今的生活中扮演的角色也愈发重要。这个趋势还取决于高能量存储技术的发展,例如锂离子(Li-ion)电池和超级电容器。这些蓄能器连接到可再生能源系统(太阳能和风能),收集和存储能源,并稳定提供给用户。其中一些应用需要快速充电或放电。这里我们将要介绍的是一种双向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。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。EhQednc

电气原理

图1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(SiC) MOSFET UF3C065080T3S组成,当然也可以用其它器件代替。EhQednc

EhQednc

图1:双向降压-升压转换器接线图EhQednc

 EhQednc

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:EhQednc

  • 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,SiC MOSFET可以三种不同的方式工作:EhQednc

  • 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,SiC MOSFET的功能遵循图2中所示的表格。EhQednc

EhQednc

图2:四个SiC MOSFET的工作模式和作用EhQednc

 EhQednc

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:EhQednc

  • 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3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。EhQednc

EhQednc

图3:Buck A-B模式下的输入和输出电压。EhQednc

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:EhQednc

  • 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4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。EhQednc

EhQednc

图4:Boost A-B模式下的输入和输出电压。EhQednc

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:EhQednc

  • 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5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。EhQednc

EhQednc

图5:Buck B-A模式下的输入和输出电压.EhQednc

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:EhQednc

  • 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6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。EhQednc

EhQednc

图6:Boost B-A模式下的输入和输出电压。EhQednc

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7)。 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。EhQednc

EhQednc

图7:Boost A-B模式下,电感上的脉动电压和电流曲线图。EhQednc

(本文授权编译自EDN姐妹网站Power Electronics News,原文参考链接:Let’s build a Bidirectional Buck-Boost Converter with SiC MOSFET。)EhQednc

责编:Jenny LiaoEhQednc

本文为电子技术设计原创文章,未经授权禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
  • 这种工作方式,输出纹波超高。
  • 图7电压波形峰值标错了吧
  • 微信扫一扫
    一键转发
  • 最前沿的电子设计资讯
    请关注“电子技术设计微信公众号”
  • 如何在高压应用中利用反相降压-升压拓扑 对于需要生成负电压轨的应用,可以考虑多种拓扑结构,如“生成负电压的艺术”一文所述。但是,如果输入和/或输出端的绝对电压超过24V,并且所需的输出电流可以达到几安,则充电泵和LDO负压稳压器将会因其低电流能力被弃用,而其电磁组件的尺寸,会导致反激式和Ćuk转换器解决方案变得相当复杂。因此,在这种条件下,反相降压-升压拓扑能在高效率和小尺寸之间达成较好的折衷效果。
  • 利用CMOS触发器“标签外”用法实现精密电容传感器 当涉及到药品时,“标签外”一词表明了某种药物(经常被发现)的不同于最初开发的实际而有益的用途。电子元器件也会出现这种情况,例如古老的CD4013B双D CMOS触发器。尽管将4013标记为传统的双稳态逻辑元件,但它却能用作模拟器件而具有极好的标签外潜力。
  • 意法半导体发布车规音频功放芯片,为紧急救援、远程信 FDA803S和FDA903S是意法半导体FDA(纯数字放大器)系列中最新的单通道全差分10W D类音频功率放大器。目标应用包括紧急道路救援、远程信息处理等需要音频通道产生最高10W标准输出功率的语音、音乐或提示消息的任何汽车系统。
  • 元宇宙未来:硬件技术还要多久到位? 为了实现业界技术领先大厂眼中所期望的未来“元宇宙”(metaverse)生活,如今在打造这一愿景的硬件与软件技术方面,我们还有多远的路要走?
  • 寄生效应为什么会产生意想不到的EMI滤波器谐振 这篇“电源设计小贴士”文章将探讨这些类型的寄生效应为什么会在电动汽车(EV)基于氮化镓(GaN)的车载充电器(OBC)中产生意想不到的EMI滤波器谐振。
  • 马斯克:脑机接口人体实验预计半年内开启,自己也将植入 当地时间11月30日,Neuralink举办了技术展示活动“Show and Tell”,向观众展示了一段用意念打字的技术。
  • 亚毫欧电阻在带来电流检测优势的同时也带来挑战 近年来,用于读取检测电阻两端电压的精密低压运放的出现,使得亚毫欧电流检测电阻的使用成为可能。诸如TI INA185和ADI AD8417的这些运放,具有超低电压偏移和偏置电流以及低温度系数,因此使用这种低欧姆电阻就很实用。然而,与几乎每次进步一样,都有一系列新的考虑和担忧。
  • 添加一个电阻器,为双极性LM555振荡器提供50%的占空比 即使是像555这样获得长期、广泛、流行使用的器件,有时一个假设的缺点也会发展成“常识”的状态,只是因为其中有一个简单的修复被忽略了。一个典型例子是我们经常陈述(但错误)的概念,即我们很难诱导原始(双极性)版555电路以50%占空比产生对称方波振荡。
  • 自动驾驶汽车的实现基础 汽车行业正在为2级(脚离开油门或刹车)和3级(手离开方向盘)车辆提供高级驾驶员辅助系统(ADAS)的首批实现方案,尽管从4级(眼睛离开道路)到5级(全自动驾驶)车辆的自动驾驶(AD)系统还处于努力开发当中。事实证明,这一挑战比几年前所预期的要更加困难。
  • 设计一个电子闭锁开关,将静态电流降低4倍 本电子开关设计采用瞬时按钮驱动,进而交替地打开和关闭电源。它专为电池供电设备而设计。其最简单的实现方法是使用触发器IC,例如4013。但是,本电路中通过使用4093 IC,将静态电流降低了四倍。
  • 自制回路增益测试变压器 我们可以购买测试设备,用它来检查在运行反馈回路的回路增益和回路相位属性,并且所购买的设备可以在非常宽的频率范围内提供有用的结果。然而,我所遇到的电源中的反馈回路,只需要在相当有限的频率范围内进行表征。在这种情况下,使用一些低成本元器件“自制”,效果就非常好。
  • 苹果华为三星纷纷布局,卫星通信究竟有何魅力? 那么究竟什么是卫星通信技术?是什么原因吸引各大厂商在这个领域布局?EDN小编带您一起了解。
广告
热门推荐
广告
广告
EE直播间
在线研讨会
广告
广告
面包芯语
广告
向右滑动:上一篇 向左滑动:下一篇 我知道了