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碳化硅MOSFET設計雙向降壓-升壓轉換器實現97%能效

jf_pJlTbmA9 ? 2023-12-04 16:12 ? 次閱讀

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。今天為大家介紹的是一種雙向DC-DC轉換器,其雙向性允許電流發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提供出色的性能和便利性,并延長其使用壽命。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最大電流。

電氣原理

圖一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。開關元件由碳化硅MOSFET RSM065030W組成,當然也可以用其它器件代替。

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圖一: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,碳化硅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。其頻率應根據具體工作條件進行選擇。

根據這些標準,碳化硅MOSFET的功能遵循圖二中所示的表格。

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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。

圖三中的曲線圖顯示了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。

wKgaomVdi8yAIZDnAABv1plZPgI246.png

圖三: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。

圖四中的曲線圖顯示了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。

wKgZomVdi82ABdjNAAB9x_gjf20086.png

圖四: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。

圖五中的曲線圖顯示了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。

wKgaomVdi86AXo--AABYzsOxqEA499.png

圖五: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。

圖六中的曲線圖顯示了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。

wKgaomVdi8-AXWrHAACN6usYqj0727.png

圖六:Boost B-A模式下的輸入和輸出電壓

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(見圖七)。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,則可能造成短路,從而損壞器件。

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圖七:Boost A-B模式下,電感上的脈動電壓和電流曲線圖

瑞森-碳化硅MOSFET選型

對標 Cree、Rohm、ST;

已成功量產650V,1200V,1700V;

采用溝道自對準工藝制作,器件一致性優異;

具有競爭力的Ronsp,與1代產品相比,Ronsp減小20%,與2代產品相比也具有競爭力;

產品規格:650V-1700V 30mΩ-1Ω;

應用領域:太陽能逆變器高壓DC/DC變換器,UPS,新能源汽車充電樁

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瑞森半導體
REASUNOS,瑞森半導體是一家致力于功率半導體器件的研發、銷售、技術支持與服務為一體的國家高新技術企業,研發團隊成員主要來自行業頂尖技術精英和知名院校。現有產品線包括電源管理IC、硅基功率器件、硅基靜電保護器件以及碳化硅基功率器件(碳化硅二極管和碳化硅MOS)。經過數年的技術積累和市場開拓,瑞森半導體已經成為全球開關電源、綠色照明、電機驅動、數碼家電、安防工程、光伏逆變、5G基站電源、新能源汽車充電樁等行業的長期合作伙伴。

審核編輯 黃宇

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