使用宽带隙器件构建高效的双向电源转换器

许多电源转换任务涉及获取输入电压并将其转换为不同的输出电压，该输出电压通常已稳定，从交流转换为直流（反之亦然），然后进行电流隔离。当您使用交流电源适配器为手机充电时会发生这种情况，或者使用逆变器将直流电源从汽车电池转换为交流电源。

这些是单向转换，但人们对替代能源方案和电动汽车 （EV） 的兴趣日益浓厚，这意味着人们越来越关注使电力双向高效流动成为可能。这可能很有用，例如，在光伏电池安装中，白天将多余的直流太阳能馈入交流电网，然后当本地蓄电池耗尽时，它们可以通过双向转换器从电网充电/逆变器。另一个例子是电动汽车，其中双向 DC-DC 转换器将 400V 牵引电池电压降至 12V 以驱动辅助设备，但如果牵引电池的电量过低，则将 12V 转换回 400V。

图1

典型的电动汽车电池系统（来源：美国能源部）

这种进出电池的双向能量流需要仔细管理。广泛用于汽车的 12V 铅酸电池在充满电之前需要受控电流，然后是涓流电流。相比之下，用于电动汽车牵引的 400V 锂离子电池阵列需要精心控制的恒定电压。

构建双向转换器

如果大量能量在每个方向的转换中丢失，那么让能量以这种方式流入和流出电池就没有什么意义了。这意味着使用高效的电源转换器，这通常会增加电路复杂性。通过将两个“反并联”的单向转换器与为其中一个或另一个供电的传感电路连接起来，这是可能的。这可能很容易，但这意味着组件数量、成本以及在车辆应用中显着的重量增加一倍。

一种更优雅、更具成本效益的方法是将电源组件配置为双向运行。

考虑 400V 牵引电池和 12V 辅助电池之间的隔离式双向能量交换。从 400V 到 12V 转换的首选功率级拓扑是全桥，它可以限制开关应力并有效地使用隔离变压器。输出级是一个双相整流器，可最大限度地减少电路应力和元件数量，如图 2a 所示。

12V 电源如何转换回 400V 可能并不明显，但图 2b 显示 12V 输出二极管可以用同步整流器代替，开关 Q1-4 可以关闭，有效地只留下它们的体二极管 D1 – D4在电路中。不过，从右到左阅读电路，它看起来很熟悉：带有全桥输出整流器的电流馈电推挽式功率级。功率元件和磁性元件相同，但用于设置能量流方向的方式不同。Q1 – Q4 也可以作为同步整流器主动切换以提高效率，尽管在 400V 时这样做的增益可能会受到限制。

实现高效的双向电源转换需要复杂的控制芯片，这些芯片通常位于低压侧，因此它们可以方便地从 12V 电池获取启动电源。如果转换器的高压侧使用相移全桥拓扑，则控制 IC 可以使用简单的变压器轻松地将栅极驱动信号通过隔离栅。由于信号具有固定宽度，只是相对于彼此进行相移以提供调节，因此变压器不会面临可变脉冲宽度导致不同峰值正负栅极电压的问题。

图 2

为双向功率流配置的同步整流器

可以使用 AC-DC 转换器进行类似的练习，将有源桥式整流器配置为逆变器的支路以实现反向能量流动。一种现代方法是使用图腾柱整流器和功率因数校正级，它可以很容易地重新配置为逆变器，如图 3 所示。

图 3

将图腾柱 PFC 级配置为逆变器

功率转换中的宽带隙器件

宽带隙 （WBG） 碳化硅 （SiC） 和氮化镓 （GaN） 半导体现在可用于替代硅器件。作为开关，它们提供比硅更低的导通电阻、更快的开关速率和更高的工作温度。分立的 SiC 二极管不受反向恢复电荷的影响，并且可以在高电压下工作。SiC 开关具有快速体二极管，并且坚固耐用，具有高雪崩能量和出色的短路电流额定值。有 SiC 版本的 JFET、MOSFET 和共源共栅 - Si-MOSFET 和 SiC JFET 的常关组合，具有接近理想的开关特性（图 4）。

图 4

Si-MOSFET 和 SiC JFET 的级联结构

WBG 器件特别适用于关注效率和尺寸的双向转换器。在高频下工作时，快速开关边沿导致低损耗，这反过来又允许使用更小的无源元件。

如果图 2b 中电路的开关 Q1 - Q4 配置为同步整流器，而不是将它们关闭并允许其体二极管充当整流器，则可以使用高压 Si-MOSFET 来实现它们。然而，这些器件会比 SiC 具有更大的传导损耗，并且体二极管反向恢复特性差，可能导致器件故障。另一方面，额定为高电压的 SiC 共源共栅仍具有低压 Si 开关的体二极管特性，具有极低的正向压降和快速恢复，可实现低损耗运行。

如果将全桥 Q1 - Q4 用作功率级，它通常会以具有相移控制的谐振模式运行。这种方法在数百瓦以上提供最佳效率，并在开关打开时实现零电压开关，外部电感与变压器电容和开关输出电容 COSS 谐振。SiC 器件，尤其是级联共栅器件的 COSS 值非常低，因此设计人员可以使用相对较小的外部电感来实现谐振，这有助于增加占空比范围和/或最大开关频率。

SiC和双向功率转换相得益彰

SiC 器件在双向功率转换策略中运行良好，并且具有实现低损耗的正确特性。UnitedSiC 提供各种 SiC 二极管、SIC JFET 和 SiC FET 共源共栅，并以大量有用的应用数据为后盾。