隨著大量使用高效的蓄能器（電池和超級(jí)電容器），趨勢(shì)是朝著更好的電流管理方向發(fā)展。雙向DC / DC轉(zhuǎn)換器可以保持電池健康并延長(zhǎng)其使用壽命。

電池供電的便攜式設(shè)備數(shù)量的增加在當(dāng)今的生活方式中起著重要作用。這種趨勢(shì)還取決于高能量存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展，例如鋰離子（Li-ion）電池和超級(jí)電容器。這些蓄能器連接到可再生能源系統(tǒng)（太陽能和風(fēng)能），以收集和存儲(chǔ)能源并將其穩(wěn)定地提供給用戶。某些應(yīng)用需要快速充電/反之亦然。我們將要描述的設(shè)備是雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器。雙向性允許電流發(fā)生器的充電和放電。雙向控制器可為基于汽車雙電池的系統(tǒng)提供出色的性能和簡(jiǎn)便性。對(duì)于降壓和升壓模式使用相同的電路模塊，可以大大降低系統(tǒng)的復(fù)雜性和尺寸。

電氣原理圖

圖1顯示了簡(jiǎn)單但功能齊全的電氣圖。對(duì)稱配置允許用戶選擇四種不同的模式進(jìn)行操作。它由四個(gè)單相象限組成，它們用作級(jí)聯(lián)的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器。它包括四個(gè)開關(guān)，一個(gè)電感器和兩個(gè)電容器。根據(jù)電子開關(guān)的功能，電路可以降低或升高輸入電壓。開關(guān)元件由UF3C065080T3S SiC MOSFET組成，顯然可以用任何其他器件代替。

圖1：雙向降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的接線圖

四種操作模式

用戶可以通過簡(jiǎn)單地配置四個(gè)MOSFET的操作來決定電路的操作。轉(zhuǎn)換器的工作模式如下：

?電池從“ A”降到“ B”，電池在“ A”中，負(fù)載在“ B”中；

?電池從“ A”升至“ B”，電池在“ A”，負(fù)載在“ B”；

?電池從“ B”降到“ A”，電池在“ B”，負(fù)載在“ A”；

?電池在“ B”中，從“ B”升至“ A”，并在“ A”中加載。

在該電路中，SiC MOSFET可以三種不同的方式工作：

?ON，相對(duì)于地為正電壓；

?OFF，電壓等于0V；

?脈動(dòng)，方波和50％PWM。頻率應(yīng)根據(jù)工作條件選擇。

基于這些標(biāo)準(zhǔn)，SiC MOSFET的功能遵循圖2所示的表格。

圖2：四個(gè)SiC MOSFET的工作模式和作用

第一模式：Buck AB

通過選擇第一模式，電路可作為降壓器工作，即作為其輸出電壓低于輸入電壓的轉(zhuǎn)換器。該電路也稱為“降壓”。為了進(jìn)行操作，必須將電壓發(fā)生器連接在A側(cè)，將負(fù)載連接在B側(cè)。負(fù)載的效率取決于所用的MOSFET。它們的配置如下：

?SW1：以10 kHz方波頻率進(jìn)行切換；

?SW2：關(guān)閉，即打開；

?SW3：關(guān)閉，即打開；

?SW4：關(guān)閉，即打開。

圖3中的曲線圖顯示了Buck AB模式下的輸入和輸出電壓。輸入電壓為12 V，輸出端存在約9 V的電壓。因此，該電路可用作降壓器。選擇的開關(guān)頻率為10 kHz。連接到輸出的負(fù)載為22 Ohm，耗散約4W。

圖3：該圖顯示了Buck 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了作為升壓器的操作，即作為其輸出電壓高于輸入電壓的轉(zhuǎn)換器的操作。該電路也稱為“升壓”。為了運(yùn)行，電壓發(fā)生器必須連接在A側(cè)，負(fù)載在B側(cè)。負(fù)載的效率取決于所用的MOSFET。它們的配置如下：

?SW1：ON，即關(guān)閉（門供電）；

?SW2：關(guān)閉，即打開；

?SW3：關(guān)閉，即打開；

?SW4：以10 kHz方波頻率進(jìn)行切換。

圖4中的曲線圖顯示了Boost AB模式下的輸入和輸出電壓。輸入電壓為12 V，輸出端存在約35 V的電壓。因此，該電路可用作升壓器。選擇的開關(guān)頻率為10 kHz。連接到輸出的負(fù)載為22歐姆，耗散約55W。

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：Buck BA

在第三模式中，電路再次作為降壓器工作，即作為其輸出電壓低于輸入電壓的轉(zhuǎn)換器。為了進(jìn)行操作，必須將電壓發(fā)生器連接在B側(cè)，將負(fù)載連接在A側(cè)。負(fù)載的效率取決于所用的MOSFET。它們的配置如下：

?SW1：關(guān)閉，即打開；

?SW2：關(guān)閉，即打開；

?SW3：以100 kHz的方波頻率進(jìn)行切換；

?SW4：關(guān)閉，即打開。

圖5中的曲線圖顯示了Buck 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6.6V。因此，該電路可用作降壓器。選擇的開關(guān)頻率為100 kHz。連接到輸出的負(fù)載為10歐姆，耗散約4.4W。

圖5：該圖顯示了Buck BA模式下的輸入和輸出電壓

第四種方式：Boost BA

電路的第四模式提供了升壓操作，即，其輸出電壓高于輸入電壓的轉(zhuǎn)換器。該電路也稱為“升壓”。為了運(yùn)行，電壓發(fā)生器必須在B側(cè)連接，負(fù)載在A側(cè)。負(fù)載的效率取決于所用的MOSFET。它們的配置如下：

?SW1：關(guān)閉

?SW2：以100 kHz的方波頻率進(jìn)行切換；

?SW3：ON，即關(guān)閉（門供電）；

?SW4：關(guān)閉。

圖6中的曲線圖顯示了Boost BA模式下的輸入和輸出電壓。該示例的輸入電壓為18 V，輸出端存在約22 V的電壓。因此，該電路可用作升壓器。選擇的開關(guān)頻率為100 kHz。連接到輸出的負(fù)載為22 Ohm，耗散約22W。

圖6：該圖顯示了Boost BA模式下的輸入和輸出電壓

結(jié)論

電路的效率取決于許多因素，首先是所使用的MOSFET的Rds（on），以使電流更容易通過（請(qǐng)參見圖7）。配備有四個(gè)電源開關(guān)的此類電路需要進(jìn)行嚴(yán)格的安全檢查。如果SW1和SW2（或SW3和SW4）同時(shí)處于ON狀態(tài)，則可能會(huì)造成短路，從而損壞組件。

圖7：Boost AB模式下電感器上脈動(dòng)電壓和電流的曲線圖

編輯：hfy