隨著高效蓄能器（電池和超級電容器）的大量使用，趨勢是朝著更好的電流管理方向發展。雙向 DC/DC 轉換器可以保持電池健康并延長其使用壽命。

介紹

電池供電的便攜式設備數量的增加在當今的生活方式中發揮著重要作用。這一趨勢也受高能量存儲技術的發展所支配，例如鋰離子 (Li-ion) 電池和超級電容器。這些蓄電池連接到可再生能源系統（太陽能和風能）以收集和存儲能量并穩定地提供給用戶。某些應用程序需要快速/充電，反之亦然。我們將要描述的設備是雙向 DC-DC 轉換器。雙向性允許電流發生器的充電和放電。雙向控制器為基于雙電池的汽車系統提供卓越的性能和簡單性。降壓和升壓模式使用相同的電路模塊大大降低了系統的復雜性和尺寸。

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電氣原理圖

圖 1顯示了簡單但功能齊全的電氣圖。對稱配置允許在四種不同的模式下運行，用戶可選擇這些模式。它由四個作為級聯降壓-升壓轉換器工作的單相象限組成。它包括四個開關、一個電感器和兩個電容器。根據電子開關的功能，電路可以降低或升高輸入電壓。開關元件由 UF3C065080T3S SiC MOSFET 組成，顯然可以用任何其他器件替換。

圖1：雙向Buck-Boost轉換器接線圖

四種操作模式

用戶可以通過簡單地配置四個 MOSFET 的操作來決定電路的操作。轉換器的工作模式如下：

??? ? 從“A”降壓到“B”，電池在“A”，負載在“B”；

??? ? 從“A”升壓到“B”，電池在“A”，負載在“B”；

??? ? 從“B”降壓到“A”，電池在“B”，負載在“A”；

??? ? 從“B”升壓到“A”，電池在“B”，負載在“A”。

在該電路中，SiC MOSFET 可以以三種不同的方式工作：

??? ? ON，對地電壓為正；

??? ? OFF，電壓等于0V；

??? ? 脈動，方波和 50% PWM。應根據工作條件選擇頻率。

基于這些標準，碳化硅 MOSFET的功能遵循圖 2所示表格中的功能。

圖 2：四個 SiC MOSFET 的工作模式和作用

第一種模式：降壓AB

通過選擇第一種模式，電路作為降壓工作，即作為輸出電壓低于輸入電壓的轉換器。該電路也稱為“降壓”。對于操作，電壓發生器必須連接在 A 側，負載連接在 B 側。負載的效率取決于所使用的 MOSFET。它們的配置如下：

??? ? SW1：以10 kHz 方波頻率切換；

??? ? SW2：關，即開；

??? ? SW3：關，即開；

??? ? SW4：關閉，即打開。

圖 3中的圖表顯示了降壓 AB 模式下的輸入和輸出電壓。輸入電壓為 12 V，輸出端的電壓約為 9 V。因此，該電路用作降壓器。選擇的開關頻率為 10 kHz。連接到輸出的負載為 22 歐姆，功耗約為 4 W。

圖 3：該圖顯示了降壓 AB 模式下的輸入和輸出電壓

第二種模式：Boost AB

電路的第二模式提供作為升壓的操作，即作為其輸出電壓高于輸入電壓的轉換器。該電路也稱為“升壓”。運行時，電壓發生器必須連接在 A 側，負載連接在 B 側。負載的效率取決于所使用的 MOSFET。它們的配置如下：

??? ? SW1：ON，即關閉（門供電）；

??? ? SW2：關，即開；

??? ? SW3：關，即開；

??? ? SW4：以10 kHz 方波頻率切換。

圖 4中的圖表顯示了 Boost AB 模式下的輸入和輸出電壓。輸入電壓為 12 V，輸出端的電壓約為 35 V。因此，該電路用作升壓器。選擇的開關頻率為 10 kHz。連接到輸出的負載為 22 歐姆，功耗約為 55 W。

圖 4：該圖顯示了 Boost AB 模式下的輸入和輸出電壓

第三種模式：降壓BA

在第三種模式下，電路再次作為降壓工作，即作為輸出電壓低于輸入電壓的轉換器。對于操作，電壓發生器必須連接在 B 側，負載連接在 A 側。負載的效率取決于所使用的 MOSFET。它們的配置如下：

???? ? SW1：OFF，即打開；

???? ? SW2：關，即開；

???? ? SW3：以100 kHz 方波頻率切換；

???? ? SW4：關閉，即打開。

圖 5中的圖表顯示了降壓 BA 模式下的輸入和輸出電壓。輸入電壓為 24 V，而輸出電壓約為 6.6 V。因此，該電路可用作降壓器。選擇的開關頻率為 100 kHz。連接到輸出的負載為 10 歐姆，功耗約為 4.4 W。

圖 5：該圖顯示了降壓 BA 模式下的輸入和輸出電壓

第四種模式：Boost BA

該電路的第四種模式提供作為升壓的操作，即作為其輸出電壓高于輸入電壓的轉換器。該電路也稱為“升壓”。運行時，電壓發生器必須連接在 B 側，負載連接在 A 側。負載的效率取決于所使用的 MOSFET。它們的配置如下：

??? ? SW1：關閉

??? ? SW2：以100 kHz 方波頻率切換；

??? ? SW3：ON，即關閉（門供電）；

??? ? SW4：關閉。

圖 6中的圖表顯示了 Boost BA 模式下的輸入和輸出電壓。該示例的輸入電壓為 18 V，輸出端的電壓約為 22 V。因此，該電路用作升壓器。選擇的開關頻率為 100 kHz。連接到輸出的負載為 22 歐姆，功耗約為 22 W。

圖 6：該圖顯示了 Boost BA 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，首先是所用 MOSFET 的 Rds(on)，以便電流更容易通過（見圖 7）。這種配備四個電源開關的電路需要進行嚴格的安全檢查。如果 SW1 和 SW2（或 SW3 和 SW4）同時處于 ON 狀態，可能會造成短路，從而損壞組件。

圖 7：升壓 AB 模式下電感器上的脈動電壓和電流圖



審核編輯：劉清