【经验】用碳化硅MOSFET设计一个双向降压-升压转换器

2021-08-13 爱浦电子
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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。


这里爱浦电子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电路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,电路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来决定电路的运作模式,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;

在该电路中,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,电路做为降压器,即输出电压低于输入电压的转换器。这种电路也称为“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,因此电路可用作降压器。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。这种电路也称为“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,因此电路可用作升压器。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,电路也做为降压器运作,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,因此电路可用作降压器。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,电路作为升压器运作,即输出电压高于输入电压的转换器。这种电路也称为“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,因此电路可用作升压器。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


结语

电路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电路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

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SERIES,WD50-24S24K1,FK1-12S09E3,FA10-220E0524E2,FD20-36S12A3,FDXX-110SXXA3,FD15-A3-TSH,FA3-220S05A2N3,FK1-E,FD50-48S05B3,FD20-18S09A3C,FD20-A3C-TS,FA15-220S12F2D4,FN2-24S12C3N,FA3-220S3V3A2N3,FD20-110SXXA3C -TS,FD12-110S3V3A3C3,UA10-220S24P2D,WD50-110S05K1,FN2-05S05C3N,FD15-36S09A3C,FD20-36S12B2C5,FA3-220S12B9D4,FD20-36D3V3A3,FD12-110D09A3C3,FK3-48D05E,KW10-36S12E2C3,FD50-XXSXXB3C-T,FDXX-110SXXA3-H,BK25-600S12H1N4,FN1-05D15BN,FW2-15S05C3,BK15-600S12H1N4,FN1-05S3V3H6,FK3-XXDXXE3,RS485-XXLSSV,WD400-P1 SERIES,WD100-Q1,FD15-36D15A3C,RS485-XXLSA,FD12-110D24A33,FN1-3V3S05B3N,FK1-24S24E3,FK1-48S15E3,KW10-18S3V3E2C3,WD300-P1 SERIES,FK3-24D15E,FD15-18D09A3,FA20UA15-F2,FD20-A3-T SERIES,CK6-E2D4,FK1-05S05E3,FD6-36S24B2C5,FD12-110SXXA3-T,FD20-36S3V3A3,FN2-12D05CN,WD100-24S12N1,FD20-XXSXXA3C,BK20-600D15H1N4,FN2-05D12H6,FA25-H2D4 SERIES,FD6-36D15A3,FD6-18S15B2C5,FD15-36D05A3C,FD12-A3C2-TS SERIES,FA3-220S24A2N3,FA10-220E0515E2,UA15-F2D4 SERIES,FD20-18D12A3,FD20-110S12A33,FDXX-XXSXXB3-TSH,FN2-05S05CN,FK1-12S09E,FD30-XXSXXA3-TS,FA30-220S15H2D4,FN1-12D05BN,FD50-24S12B3,FD20-110S24A33,FW1-24S15B,FK3-24D12E,FK1-12D05E3,FA40-220S12W2,FK3-12S24E,FD15-XXSXXA3C-TS,RS485-05HSSV,FD12-110D09A3,FN1-24D12B3N,FA20UA25-H2,WD100-110S24Q1,KW6-18S05E2C3,FD6-A3-T SERIES,FK1-48S05E,FK3-E,FD15-XXDXXA3,FK1-05S05E,RS485 -XXXSXX SERIES,FN1-05S3V3BN,FN2-12S09CN,DA150-220S12G9N3,FN1-12D09H6,FD15-36D09A3,WD100-48S05N1,FA25UA25-H2,FD6-XXSXXA3-T,FA10-E2D4 SERIES,FD20-18S05A3,FD30-24S05A3,FD20-XXDXXA3-TS,FA15-220S05F2D4,VD150-N1,FA5-220S24B9D4,FN2-05S15C3N,KW6-18S12E2C3,WD100-24S12Q1,FK3-24S3V3E,FD12-A3C2-TS,FN1-24D09BN,FD20-A3-TS SERIES,FD15-36D3V3A3C,FD20-36S05B2C5,FD20-110S24A3,FN1-05D15B3N,FD30-A3-TS SERIES,FN1-3V3S3V3BN,K78XX-1000 SERIES,FK3-05S24E3,FK3-05S3V3E3,FK3-24D15E3,WD75-110S24M1,FD30-A3C-TS,DA100-220G05V1121224G9N2 SERIES,FD15-18S12A3,FD30-18S3V3B3C,FD50-48S12B3,DA40-1000SXXG1N4 SERIES,FD12-36D09A3,FW2-24S12C,WD200-48S12P1,FA10-220S3V3Y2D4,WD150-Q1 SERIES,FD15-XXSXXA3-TS,FN2-XXDXXC3N,FA15-F2D4 SERIES,FD30-48S09A3C,FD30-36S09B3,FA5-220S48C2D4,FN2-H6 SERIES,FD30/50-B3-TS SERIES,FD20-36S05A3,FN2-24S05H6,WD300-110S12P1,WD75-48S05M1,BK25-600D15H1N4,FD15-XXDXXA3-T,FD50-B3C-TS,FK3-24D05E3,FD12-18S24A32,FN1-05D12BN,FN1-12S05B3N,FN1-12D15B3N,NN1-XXSXXANT,RSCAN-05HSA,FA20-F2

选型指南  -  爱浦电子  - 2020.11.18 PDF 中文 下载

爱浦电子模块电源选型表

提供爱浦电子:AC/DC模块电源:中小功率(2-30W)高性能标准电压(5V、12V)的模块;DC/DC模块电源:小功率(3-20W)、中大功率 (30-700W)、微功率(1-2W)模块,提供9-36Vdc、1872Vdc的超宽电压输入;光伏模块电源:BK系列是200-1500VDC超高电压输入高效率高可靠性高隔离电压的 DC-DC 开关稳压模块电源;隔离收发模块。

产品型号
品类
输出功率(W)
输入电压范围(V)
输出电压(V)
输出电流
包装形式(Package)
应用等级
等级认证标准
FD6-18S05A3
模块电源
6W
9V~36V
5V
1.2A
工业级
CE/RoHS

选型表  -  爱浦电子 立即选型

数据手册  -  泰科天润  - Rev. X.1  - 2024/7/31 PDF 英文 下载

【选型】爱浦电子隔离电源模块可替换金升阳B0505S-1WR3用于RS-485通信总线,各项参数基本一致

笔者公司开发的微波电源,设计了RS-485通信总线。为了确保原材料供应通畅,采用爱浦电子的FN1-05S05A电源模块PIN-TO-PIN替代与金升阳的B0505S-1WR3,各项参数基本相同,在功能和性能上都达到了需求。

器件选型    发布时间 : 2021-08-29

爱浦电子质量为本,创新为魂,助力我国电子产业高质量发展

在全球化竞争日益激烈的今天,质量已成为企业生存发展的基石。作为我国电子行业的佼佼者,爱浦电子始终秉持“质量为本,创新为魂”的经营理念,为我国电子产业高质量发展贡献力量。

原厂动态    发布时间 : 2024-10-10

国基南方加速碳化硅MOSFET技术攻关,建立国内第一条6英寸碳化硅功率产品生产线

国基南方持续推进碳化硅MOSFET关键核心技术攻关和产业化应用,经过集智攻坚,团队建立国内第一条6英寸碳化硅功率产品生产线,在国内率先突破6英寸碳化硅MOSFET批产技术,形成了成套具有自主知识产权的碳化硅功率产品技术体系。

原厂动态    发布时间 : 2024-03-04

世强硬创获蓉矽授权,代理车规级碳化硅MOSFET/EJBS/二极管等产品

蓉矽SiC MOSFET系列是采用第三代宽禁带半导体碳化硅制造的一种高耐压、低电阻、高频应用的MOSFET,分有高性价比的NovuSiC®和高可靠性的DuraSiC®系列。

签约新闻    发布时间 : 2023-09-06

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功率MOSFET管检测:动静态参数/热特性/高低温性能/可靠性等参数测试

可根据用户的MOSFET管进行参数检测出具报告,静态参数最大电压:7500V、检测最大电流6000A;动态参数最大电压:3300V、检测最大电流:4500A。该测试标准满足GB、IEC及行业标准等,具备可靠性评估及老化实验能力。

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