如何用碳化硅MOSFET设计一个双向降压-升压转换器？

　　电池供电的便携设备越来越多，在今日生活中扮演的角色也越来越重要。这个趋势还取决于高能量储存技术的发展，例如锂离子（Li-ion）电池和超级电容器。
　　这些储能设备连接到可再生能源系统（太阳能和风能），收集和储存能源，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，其双向性允许电流产生器同时具备充电和放电能力。
　　双向控制器可以车用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威廉希尔官方网站 模块大幅降低了系统的复杂性和尺寸，甚至可以取得高达97%的能源效率，并且可以控制双向传递的最大电流。

　　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运作模式。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，威廉希尔官方网站 可以降低或升高输入电压。开关组件由碳化硅（SiC） MOSFET UF3C065080T3S组成，当然也可以用其他组件代替。
　　
　　图1：双向降压-升压转换器接线图
　　四种运作模式
　　用户可以简单配置四个MOSFET来决定威廉希尔官方网站 的运作模式，具体包括如下四种：
　　·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；
　　在该威廉希尔官方网站 中，SiC MOSFET可以三种不同的方式运作：
　　·导通，对地为正电压；
　　·关断，电压为0；
　　·脉动（Pulsating），具方波和50% PWM；其频率应根据具体运作条件进行选择。
　　根据这些标准，SiC MOSFET的功能遵循图2中所示的表格。
　　图2：四个SiC MOSFET的运作模式和作用
　　模式一：降压（Buck）A-B
　　选择模式一，威廉希尔官方网站 做为降压器，即输出电压低于输入电压的转换器。这种威廉希尔官方网站 也称为“step-down”，其电压产生器需连接在A侧，而负载连接在B侧。负载效率取决于所采用的MOSFET组件。具体配置如下：
　　·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中显示了Buck A-B模式下的输入和输出电压；其输入电压为12V，输出电压约为9V，因此威廉希尔官方网站 可用作降压器。其开关频率选择为10kHz，输出端负载为22Ohm，功耗约为4W。
　　图3：Buck A-B模式下的输入和输出电压
　　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。这种威廉希尔官方网站 也称为“step-up”。电压产生器需连接在A侧，而负载连接在B侧。负载效率取决于所采用的MOSFET组件。具体配置如下：
　　·SW1：导通，即关闭开关（闸极供电）；
　　·SW2：关断，即断开开关；
　　·SW3：关断，即断开开关；
　　·SW4：以10kHz方波频率进行切换。
　　图4显示了Boost A-B模式下的输入和输出电压，其输入电压为12V，输出电压约为35V，因此威廉希尔官方网站 可用作升压器。其开关频率选择为10kHz，输出端负载为22Ohm，功耗约为55W。
　　图4：Boost A-B模式下的输入和输出电压
　　模式三：降压B-A
　　选择模式三，威廉希尔官方网站 也做为降压器运作，即输出电压低于输入电压的转换器。其电压产生器需连接在B侧，而负载连接在A侧，负载效率取决于所采用的MOSFET组件。具体配置如下：
　　·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，因此威廉希尔官方网站 可用作降压器。其开关频率选择为100kHz，输出端负载为10Ohm。
　　图5：Buck B-A模式下的输入和输出电压
　　模式四：升压B-A
　　选择模式四，威廉希尔官方网站 作为升压器运作，即输出电压高于输入电压的转换器。这种威廉希尔官方网站 也称为“step-up”，其电压产生器需连接在B侧，而负载连接在A侧。负载效率取决于所采用的MOSFET组件。具体配置如下：
　　·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，因此威廉希尔官方网站 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。
　　图6：Boost B-A模式下的输入和输出电压

　　威廉希尔官方网站 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（如图7）。另外，这种配有四个功率开关的威廉希尔官方网站 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，从而损坏组件。
　　
　　图7：Boost A-B模式下，电感上的脉动电压和电流曲线图