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DC/DC換流器組合設計:可降低系統(tǒng)成本、組件數(shù)量和尺寸

發(fā)布時間:2018-03-07 來源:電子設計 責任編輯:lina

【導讀】隨著對更緊湊和更高效電力系統(tǒng)的日益重視,雙向轉(zhuǎn)換器越來越受到關注。具有雙向功率流的雙向DC/DC換流器可將電池充電和備份操作傳統(tǒng)上所需的兩個DC/DC換流器組合在一起,降低了整個系統(tǒng)的成本、組件數(shù)量和尺寸。


此系列博文將分兩個部分研究在不間斷電源(UPS)、電池備份單元和儲能系統(tǒng)裝置應用中雙向換流器的使用。
 
 
UPS或電池備份單元可在各種關鍵和非關鍵應用中提供不間斷電源。UPS系統(tǒng)可從傳統(tǒng)意義上分為備用UPS、線路交互式UPS和在線式或雙換流UPS。在新類別的UPS開發(fā)方面,如備用在線式混合動力或高級ECO模式UPS,獲得的進展甚少。
 
圖1所示為傳統(tǒng)在線式UPS的框圖。
 
 
 
圖1:常規(guī)在線式UPS的框圖
 
在正常運行中,主直流母線通過交流網(wǎng)格源調(diào)節(jié)在300V至400V之間。電池作為儲能單元,可以使用專用的AC/DC或DC/DC換流器通過AC電源或DC總線進行充電。另一臺DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器用于在斷電期間將電池的電力從電池傳輸?shù)紻C-Bus(備用操作)。圖2所示為具有雙向換流器的在線式UPS的框圖。
 
 
 
圖2:具有雙向DC-DC換流器的在線式UPS框圖
 
高效小型雙向參考設計是一種數(shù)字控制的2kW隔離雙向DC/DC換流器,設計用于在300V至400VDC總線和48V電池組之間傳輸功率。參考設計在高壓側(cè)具有全橋功率級,而在低壓側(cè)具有電流饋電全橋級。存在直流母線(正常條件)的情況下,設計以降壓模式運行,并以恒定電流對電池充電,直至電池電壓處于限制值。在斷電期間,該設計作為電流饋電全橋轉(zhuǎn)換器運行,將48V電池(36V至60V輸入)的功率提升至380VDC總線,支持備份載入。
 
 
參考設計在降壓模式(作為充電器)下的峰值效率為94%,在升壓模式(放電期間)為95%,平均效率高于93%。這種高放電效率為電池提供更長的運行時間。在36V至60V的寬輸入電壓范圍內(nèi),使用電流饋電全橋級在放電模式下實現(xiàn)高效率,其優(yōu)化隔離變壓器的設計,以繞組中的最小化均方根(RMS)電流,同時最小化通過輸入電容器的紋波電流。
 
在100kHz的高開關頻率下工作,該參考設計的功率水平為2kW,尺寸為185mm×170mm。
 
 
圖3:備份模式下的系統(tǒng)效率(升壓模式)
 
從充電模式到備用模式的轉(zhuǎn)換或隨時間的變化對于確保負載供電的連續(xù)性至關重要。參考設計的轉(zhuǎn)換時間小于100μs,從而減少了系統(tǒng)在轉(zhuǎn)換期間提供電源所需的大容量電容量。
 
 
圖4:快速模式從電池充電切換到備用模式
 
在該系列的第二部分中,我們將研究48V至400V應用的2KW、隔離DC-DC雙向參考設計的工作細節(jié)。

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