用碳化硅MOSFET设计双向降压-升压转换器
随着电池和超级电容等高效蓄能器的大量使用，更好的电流控制成为一种趋势。而双向dc/dc转换器可以保持电池健康，并延长其使用寿命。
简介
电池供电的便携式设备越来越多，在如今的生活中扮演的角色也愈发重要。这个趋势还取决于高能量存储技术的发展，例如锂离子（li-ion）电池和超级电容器。这些蓄能器连接到可再生能源系统（太阳能和风能），收集和存储能源，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，其双向性允许电流发生器同时具备充电和放电能力。双向控制器可以为汽车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，大大降低了系统的复杂性和尺寸，甚至可以获得高达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工作模式。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。开关元件由碳化硅（sic） mosfet uf3c065080t3s组成，当然也可以用其它器件代替。
图1：双向降压-升压转换器接线图
四种工作模式
用户可以简单配置四个mosfet来决定电路的工作模式，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工作：
导通，对地为正电压；
关断，电压为0；
脉动，具方波和50%pwm。其频率应根据具体工作条件进行选择。
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的工作模式和作用
模式一：降压（buck）a-b
选择模式一，电路将作为降压器工作，即输出电压低于输入电压的转换器。这种电路也称为“step-down”。 其电压发生器需连接在a侧，而负载连接在b侧。负载效率取决于所采用的mosfet器件。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中的曲线图显示了buck a-b模式下的输入和输出电压。其输入电压为12 v，输出电压约为9 v，因此电路可用作降压器。其开关频率选择为10 khz，输出端负载为22 ohm，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”。 电压发生器需连接在a侧，而负载连接在b侧。负载效率取决于所采用的mosfet器件。具体配置如下：
sw1：导通，即关闭开关（栅级供电）
sw2：关断，即断开开关
sw3：关断，即断开开关
sw4：以10 khz方波频率进行切换
图4中的曲线图显示了boost a-b模式下的输入和输出电压。其输入电压为12 v，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10 khz，输出端负载为22 ohm，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，电路也作为降压器工作，即输出电压低于输入电压的转换器。其电压发生器需连接在b侧，而负载连接在a侧。负载效率取决于所采用的mosfet器件。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中的曲线图显示了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100 khz，输出端负载为10 ohm。
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，电路作为升压器工作，即输出电压高于输入电压的转换器。这种电路也称为“step-up”。其电压发生器需连接在b侧，而负载连接在a侧。负载效率取决于所采用的mosfet器件。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中的曲线图显示了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。
结论
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（见图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，从而损坏器件。
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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图1：双向降压-升压转换器接线图
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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工作：
导通，对地为正电压；
关断，电压为0；
脉动，具方波和50%pwm。其频率应根据具体工作条件进行选择。
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sw2：关断，即断开开关
sw3：关断，即断开开关
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图3：buck a-b模式下的输入和输出电压。
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sw2：关断，即断开开关
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图4：boost a-b模式下的输入和输出电压。
模式三：降压b-a
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图5：buck b-a模式下的输入和输出电压。
模式四：升压b-a
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图6：boost b-a模式下的输入和输出电压。
结论
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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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