使用寬帶隙器件構(gòu)建高效的雙向電源轉(zhuǎn)換器

許多電源轉(zhuǎn)換任務(wù)涉及獲取輸入電壓并將其轉(zhuǎn)換為不同的輸出電壓，該輸出電壓通常已穩(wěn)定，從交流轉(zhuǎn)換為直流（反之亦然），然后進行電流隔離。當(dāng)您使用交流電源適配器為手機充電時會發(fā)生這種情況，或者使用逆變器將直流電源從汽車電池轉(zhuǎn)換為交流電源。

這些是單向轉(zhuǎn)換，但人們對替代能源方案和電動汽車 （EV） 的興趣日益濃厚，這意味著人們越來越關(guān)注使電力雙向高效流動成為可能。這可能很有用，例如，在光伏電池安裝中，白天將多余的直流太陽能饋入交流電網(wǎng)，然后當(dāng)本地蓄電池耗盡時，它們可以通過雙向轉(zhuǎn)換器從電網(wǎng)充電/逆變器。另一個例子是電動汽車，其中雙向 DC-DC 轉(zhuǎn)換器將 400V 牽引電池電壓降至 12V 以驅(qū)動輔助設(shè)備，但如果牽引電池的電量過低，則將 12V 轉(zhuǎn)換回 400V。

圖1

典型的電動汽車電池系統(tǒng)（來源：美國能源部）

這種進出電池的雙向能量流需要仔細管理。廣泛用于汽車的 12V 鉛酸電池在充滿電之前需要受控電流，然后是涓流電流。相比之下，用于電動汽車牽引的 400V 鋰離子電池陣列需要精心控制的恒定電壓。

構(gòu)建雙向轉(zhuǎn)換器

如果大量能量在每個方向的轉(zhuǎn)換中丟失，那么讓能量以這種方式流入和流出電池就沒有什么意義了。這意味著使用高效的電源轉(zhuǎn)換器，這通常會增加電路復(fù)雜性。通過將兩個“反并聯(lián)”的單向轉(zhuǎn)換器與為其中一個或另一個供電的傳感電路連接起來，這是可能的。這可能很容易，但這意味著組件數(shù)量、成本以及在車輛應(yīng)用中顯著的重量增加一倍。

一種更優(yōu)雅、更具成本效益的方法是將電源組件配置為雙向運行。

考慮 400V 牽引電池和 12V 輔助電池之間的隔離式雙向能量交換。從 400V 到 12V 轉(zhuǎn)換的首選功率級拓撲是全橋，它可以限制開關(guān)應(yīng)力并有效地使用隔離變壓器。輸出級是一個雙相整流器，可最大限度地減少電路應(yīng)力和元件數(shù)量，如圖 2a 所示。

12V 電源如何轉(zhuǎn)換回 400V 可能并不明顯，但圖 2b 顯示 12V 輸出二極管可以用同步整流器代替，開關(guān) Q1-4 可以關(guān)閉，有效地只留下它們的體二極管 D1 – D4在電路中。不過，從右到左閱讀電路，它看起來很熟悉：帶有全橋輸出整流器的電流饋電推挽式功率級。功率元件和磁性元件相同，但用于設(shè)置能量流方向的方式不同。Q1 – Q4 也可以作為同步整流器主動切換以提高效率，盡管在 400V 時這樣做的增益可能會受到限制。

實現(xiàn)高效的雙向電源轉(zhuǎn)換需要復(fù)雜的控制芯片，這些芯片通常位于低壓側(cè)，因此它們可以方便地從 12V 電池獲取啟動電源。如果轉(zhuǎn)換器的高壓側(cè)使用相移全橋拓撲，則控制 IC 可以使用簡單的變壓器輕松地將柵極驅(qū)動信號通過隔離柵。由于信號具有固定寬度，只是相對于彼此進行相移以提供調(diào)節(jié)，因此變壓器不會面臨可變脈沖寬度導(dǎo)致不同峰值正負柵極電壓的問題。

圖 2

為雙向功率流配置的同步整流器

可以使用 AC-DC 轉(zhuǎn)換器進行類似的練習(xí)，將有源橋式整流器配置為逆變器的支路以實現(xiàn)反向能量流動。一種現(xiàn)代方法是使用圖騰柱整流器和功率因數(shù)校正級，它可以很容易地重新配置為逆變器，如圖 3 所示。

圖 3

將圖騰柱 PFC 級配置為逆變器

功率轉(zhuǎn)換中的寬帶隙器件

寬帶隙 （WBG） 碳化硅 （SiC） 和氮化鎵 （GaN） 半導(dǎo)體現(xiàn)在可用于替代硅器件。作為開關(guān)，它們提供比硅更低的導(dǎo)通電阻、更快的開關(guān)速率和更高的工作溫度。分立的 SiC 二極管不受反向恢復(fù)電荷的影響，并且可以在高電壓下工作。SiC 開關(guān)具有快速體二極管，并且堅固耐用，具有高雪崩能量和出色的短路電流額定值。有 SiC 版本的 JFET、MOSFET 和共源共柵 - Si-MOSFET 和 SiC JFET 的常關(guān)組合，具有接近理想的開關(guān)特性（圖 4）。

圖 4

Si-MOSFET 和 SiC JFET 的級聯(lián)結(jié)構(gòu)

WBG 器件特別適用于關(guān)注效率和尺寸的雙向轉(zhuǎn)換器。在高頻下工作時，快速開關(guān)邊沿導(dǎo)致低損耗，這反過來又允許使用更小的無源元件。

如果圖 2b 中電路的開關(guān) Q1 - Q4 配置為同步整流器，而不是將它們關(guān)閉并允許其體二極管充當(dāng)整流器，則可以使用高壓 Si-MOSFET 來實現(xiàn)它們。然而，這些器件會比 SiC 具有更大的傳導(dǎo)損耗，并且體二極管反向恢復(fù)特性差，可能導(dǎo)致器件故障。另一方面，額定為高電壓的 SiC 共源共柵仍具有低壓 Si 開關(guān)的體二極管特性，具有極低的正向壓降和快速恢復(fù)，可實現(xiàn)低損耗運行。

如果將全橋 Q1 - Q4 用作功率級，它通常會以具有相移控制的諧振模式運行。這種方法在數(shù)百瓦以上提供最佳效率，并在開關(guān)打開時實現(xiàn)零電壓開關(guān)，外部電感與變壓器電容和開關(guān)輸出電容 COSS 諧振。SiC 器件，尤其是級聯(lián)共柵器件的 COSS 值非常低，因此設(shè)計人員可以使用相對較小的外部電感來實現(xiàn)諧振，這有助于增加占空比范圍和/或最大開關(guān)頻率。

SiC和雙向功率轉(zhuǎn)換相得益彰

SiC 器件在雙向功率轉(zhuǎn)換策略中運行良好，并且具有實現(xiàn)低損耗的正確特性。UnitedSiC 提供各種 SiC 二極管、SIC JFET 和 SiC FET 共源共柵，并以大量有用的應(yīng)用數(shù)據(jù)為后盾。