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。ftQednc

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。ftQednc

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。ftQednc

ftQednc

图1:双向降压-升压转换器接线图ftQednc

 ftQednc

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:ftQednc

  • 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:ftQednc

  • 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。ftQednc

ftQednc

图2:四个SiC MOSFET的工作模式和作用ftQednc

 ftQednc

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:ftQednc

  • 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。ftQednc

ftQednc

图3:Buck A-B模式下的输入和输出电压。ftQednc

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:ftQednc

  • 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。ftQednc

ftQednc

图4:Boost A-B模式下的输入和输出电压。ftQednc

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:ftQednc

  • 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。ftQednc

ftQednc

图5:Buck B-A模式下的输入和输出电压.ftQednc

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:ftQednc

  • 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。ftQednc

ftQednc

图6:Boost B-A模式下的输入和输出电压。ftQednc

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。ftQednc

ftQednc

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

(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。)ftQednc

责编:Jenny LiaoftQednc

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”
  • 仿真器智能,工程师更聪明! 不要过度依赖SPICE仿真器的自动设定,因为过度相信自动化有时可能引发错误。请记得:仿真器智能,工程师更聪明!
  • 给电子设计初学者的一些实用技巧 本文将为初学者提供一些实用的布局、提示和技巧,可以帮助您避免事故或解决各种问题。该系列将不定期发布。
  • MP1584降压电路官方手册有坑?资深工程师分享常用DC-DC 在最初使用MP1584降压电路时,发现照着芯片手册的官方给出的参数去设置,发现还是有坑的,经过修改后,目前这个降压电路已经使用了很多年,经过几千产品量的打板实践,个人感觉还是算稳定的。为了帮助大家避开官方手册以及其他的一些坑,笔者特地撰文与大家分享一个常用的DC-DC的电路设计……
  • 模拟信号是怎么转换成数字信号的? 带宽有限(band-limited) 采样频率大于2倍信号最高频率后可以无失真的恢复出原始信号。实际中,信号往往是无线带宽的,如何保证带宽有限?所以,我们在模拟信号输入端要加一个低通滤波器,使信号变成带宽有限,再使用2.5~3倍的最高信号频率进行采样。关于此我们下面将模拟数字转换过程将会看到。
  • USB供电的5.8GHz RF LNA接收器,带输出功率保护功能 图1所示的电路来自高性能RF接收器系统,具有+23dB增益,优化之后,支持采用5.8GHz中心频率。其输入未经滤波,保持2dB噪声系数,但输出端配有带通滤波器,会衰减带外干扰。
  • 利用LM386音频放大器设计无线电接收器电路 LM386音频放大器IC可用于设计简单的无线电接收器电路,并且这些电路还能提供惊人的高性能。这些电路可用于接收中、短波波段的AM、CW和SSB射频传输,而不需要外部天线。
  • 新推出的同步SAR模数转换器的片内校准优势 本文评估在电阻模数转换器(ADC)前面的外部电阻的影响。这些系列的同步采样ADC包括一个高输入阻抗电阻可编程增益放大器(PGA),用于驱动ADC和缩放输入信号,允许直接连接传感器。但是,有几个原因导致在设计期间,我们最终会在模拟输入前面增加外部电阻。以下部分从理论上解释预期的增益误差,该误差与电阻大小呈函数关系,且介绍最小化这些误差的几种方式。本文还研究电阻公差和不同的校准选项对ADC输入阻抗的影响。除理论研究之外,还使用试验台测量和比较几种设备,以证明片内增益校准功能能实现出色精度。增益校准功能使广泛前端电阻值的系统误差低于0.05%,无需执行任何校准例程,只需对每个通道的单个寄存器执行写操作即可。
  • 采用晶振控制的斜坡发生器 本项目源于需要为HP 8620C射频扫频振荡器产生线性晶体控制斜坡信号。它的灵感来自之前发布的斜坡发生器设计。这种设计存在两个问题:它使用了非标准的16.384MHz晶体振荡器;其斜坡的下降/返回/消隐时间为零。
  • 具有扩展范围的电容数字转换器 电容传感器广泛用于各种工业应用,例如液位监测、压力测量、位置检测、流量计、湿度检测等。ΣΔ (Sigma-Delta)电容数字转换器(CDC)用方波激励未知电容,并将产生的电荷转换成单位数字输出流。然后,由数字滤波器处理位流,输出精确的低噪声电容测量值。
  • 给变压器烙铁DIY一个温度“稳定器” 多年来,我一直对变压器烙铁头的没有温度控制而感到恼火。可能所有使用变压器烙铁的用户都注意到,使用这种烙铁进行焊接需要大量练习,以免因温度过高而造成损失。问题在于无法控制烙铁头温度,我决定稍微DIY一下。
  • 高清音频的重大突破:优化TWS耳机的音频传输和播放 随着对高清(HD)音频的兴趣不断攀升,对具有高级功能的高清TWS耳机的巨大需求正达到顶峰。本文介绍了高清音乐传输背后的技术,以及音频设计人员如何满足日益增长的需求。
  • 拆解:苹果AirTag追踪器 有人猜到这次要拆解什么产品吗?当然是苹果的AirTag追踪设备。既然之前都已经拆解了Tile Mate,当然也只有对AirTag进行同样的检查才算公平,对吧?
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