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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。 |
