許多電源轉換任務涉及獲取輸入電壓并將其轉換為不同的輸出電壓，該輸出電壓通常已穩定，從交流轉換為直流（反之亦然），然后進行電流隔離。當您使用交流電源適配器為手機充電時會發生這種情況，或者使用逆變器將直流電源從汽車電池轉換為交流電源。

這些是單向轉換，但人們對替代能源方案和電動汽車 （EV） 的興趣日益濃厚，這意味著人們越來越關注使電力雙向高效流動成為可能。這可能很有用，例如，在光伏電池安裝中，白天將多余的直流太陽能饋入交流電網，然后當本地蓄電池耗盡時，它們可以通過雙向轉換器從電網充電/逆變器。另一個例子是電動汽車，其中雙向 DC-DC 轉換器將 400V 牽引電池電壓降至 12V 以驅動輔助設備，但如果牽引電池的電量過低，則將 12V 轉換回 400V。

圖1

典型的電動汽車電池系統（來源：美國能源部）

這種進出電池的雙向能量流需要仔細管理。廣泛用于汽車的 12V 鉛酸電池在充滿電之前需要受控電流，然后是涓流電流。相比之下，用于電動汽車牽引的 400V 鋰離子電池陣列需要精心控制的恒定電壓。

構建雙向轉換器

如果大量能量在每個方向的轉換中丟失，那么讓能量以這種方式流入和流出電池就沒有什么意義了。這意味著使用高效的電源轉換器，這通常會增加電路復雜性。通過將兩個“反并聯”的單向轉換器與為其中一個或另一個供電的傳感電路連接起來，這是可能的。這可能很容易，但這意味著組件數量、成本以及在車輛應用中顯著的重量增加一倍。

一種更優雅、更具成本效益的方法是將電源組件配置為雙向運行。

考慮 400V 牽引電池和 12V 輔助電池之間的隔離式雙向能量交換。從 400V 到 12V 轉換的首選功率級拓撲是全橋，它可以限制開關應力并有效地使用隔離變壓器。輸出級是一個雙相整流器，可最大限度地減少電路應力和元件數量，如圖 2a 所示。

12V 電源如何轉換回 400V 可能并不明顯，但圖 2b 顯示 12V 輸出二極管可以用同步整流器代替，開關 Q1-4 可以關閉，有效地只留下它們的體二極管 D1 – D4在電路中。不過，從右到左閱讀電路，它看起來很熟悉：帶有全橋輸出整流器的電流饋電推挽式功率級。功率元件和磁性元件相同，但用于設置能量流方向的方式不同。Q1 – Q4 也可以作為同步整流器主動切換以提高效率，盡管在 400V 時這樣做的增益可能會受到限制。

實現高效的雙向電源轉換需要復雜的控制芯片，這些芯片通常位于低壓側，因此它們可以方便地從 12V 電池獲取啟動電源。如果轉換器的高壓側使用相移全橋拓撲，則控制 IC 可以使用簡單的變壓器輕松地將柵極驅動信號通過隔離柵。由于信號具有固定寬度，只是相對于彼此進行相移以提供調節，因此變壓器不會面臨可變脈沖寬度導致不同峰值正負柵極電壓的問題。

圖 2

為雙向功率流配置的同步整流器

可以使用 AC-DC 轉換器進行類似的練習，將有源橋式整流器配置為逆變器的支路以實現反向能量流動。一種現代方法是使用圖騰柱整流器和功率因數校正級，它可以很容易地重新配置為逆變器，如圖 3 所示。

圖 3

將圖騰柱 PFC 級配置為逆變器

功率轉換中的寬帶隙器件

寬帶隙 （WBG） 碳化硅 （SiC） 和氮化鎵 （GaN） 半導體現在可用于替代硅器件。作為開關，它們提供比硅更低的導通電阻、更快的開關速率和更高的工作溫度。分立的 SiC 二極管不受反向恢復電荷的影響，并且可以在高電壓下工作。SiC 開關具有快速體二極管，并且堅固耐用，具有高雪崩能量和出色的短路電流額定值。有 SiC 版本的 JFET、MOSFET 和共源共柵 - Si-MOSFET 和 SiC JFET 的常關組合，具有接近理想的開關特性（圖 4）。

圖 4

Si-MOSFET 和 SiC JFET 的級聯結構

WBG 器件特別適用于關注效率和尺寸的雙向轉換器。在高頻下工作時，快速開關邊沿導致低損耗，這反過來又允許使用更小的無源元件。

如果圖 2b 中電路的開關 Q1 - Q4 配置為同步整流器，而不是將它們關閉并允許其體二極管充當整流器，則可以使用高壓 Si-MOSFET 來實現它們。然而，這些器件會比 SiC 具有更大的傳導損耗，并且體二極管反向恢復特性差，可能導致器件故障。另一方面，額定為高電壓的 SiC 共源共柵仍具有低壓 Si 開關的體二極管特性，具有極低的正向壓降和快速恢復，可實現低損耗運行。

如果將全橋 Q1 - Q4 用作功率級，它通常會以具有相移控制的諧振模式運行。這種方法在數百瓦以上提供最佳效率，并在開關打開時實現零電壓開關，外部電感與變壓器電容和開關輸出電容 COSS 諧振。SiC 器件，尤其是級聯共柵器件的 COSS 值非常低，因此設計人員可以使用相對較小的外部電感來實現諧振，這有助于增加占空比范圍和/或最大開關頻率。

SiC和雙向功率轉換相得益彰

SiC 器件在雙向功率轉換策略中運行良好，并且具有實現低損耗的正確特性。UnitedSiC 提供各種 SiC 二極管、SIC JFET 和 SiC FET 共源共柵，并以大量有用的應用數據為后盾。