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双向电源设计的好处

Vicor首席现场应用工程师Arthur Jordan 2019-05-07

几年前的电力系统设计师可能希望简单地将一个直流电压转换成另一个直流电压; 今天,这个愿望得以实现,“直流变压器”成为现实。更多的设计自由意味着通过这些设备的选定系列的功率流可以是完全可逆的 - 它们是双向的。vKF电子头条

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在研究这些组件的功能可以投入使用的一些新方法之前,值得花点时间考虑一下视角的微小变化如何激发新颖的产品概念和电路配置。我们习惯于从左到右的范式:我们习惯性地看到并绘制图表,其中信号从源到目的地,传感器到输出传感器,在该方向上穿过页面。功率也通常从源到负载,从左到右跨越工作表。将功率转换组件和子系统视为符合该惯例并且是单向的是很自然的。对于电力电子的大部分历史来说,这已经广泛存在。传统的交流变压器是一个明显的例外。vKF电子头条

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SAC; 对称转换器vKF电子头条

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现在可供设计人员使用的模块化组件提供两个关键属性; 它们可用作有效且高效的“直流变压器” - 也就是说,它们提供固定比率的DC-DC转换:并且它们本质上是双向的。如何实现双向操作的详细描述超出了这篇短文的范围; 但通过研究正弦振幅转换器的主要元件,可以获得“广泛的”理解,正弦振幅转换器是核心支持技术。由于我们已经放弃了从左到右的思维,从中心开始,那里有一个变压器,一个串联电容器,与变压器的漏感保持共振。在一侧有一个开关桥(传统上)将被视为斩波直流母线的输入级,另一方面,可以称为同步整流器的基本相同的布置。只要这两条路径与中央“槽”中的谐振波形同步切换,整个装置就是对称的,并且与直流变压器完全相同; 根据磁性元件的匝数比升高电压,电流降低 - 反之亦然。在一个端口处呈现的阻抗的变化在另一个端口处被反射(通过匝数比的平方,如预期的那样),并且功率将相应地流动。谐振,零电压和零电流开关确保低损耗:谐振回路中最小的存储能量通过转换器产生良好的瞬态响应:MHz开关意味着小型和轻型电感器和电容器。只要这两条路径与中央“槽”中的谐振波形同步切换,整个装置就是对称的,并且与直流变压器完全相同; 根据磁性元件的匝数比升高电压,电流降低 - 反之亦然。在一个端口处呈现的阻抗的变化在另一个端口处被反射(通过匝数比的平方,如预期的那样),并且功率将相应地流动。谐振,零电压和零电流开关确保低损耗:谐振回路中最小的存储能量通过转换器产生良好的瞬态响应:MHz开关意味着小型和轻型电感器和电容器。只要这两条路径与中央“槽”中的谐振波形同步切换,整个装置就是对称的,并且与直流变压器完全相同; 根据磁性元件的匝数比升高电压,电流降低 - 反之亦然。在一个端口处呈现的阻抗的变化在另一个端口处被反射(通过匝数比的平方,如预期的那样),并且功率将相应地流动。谐振,零电压和零电流开关确保低损耗:谐振回路中最小的存储能量通过转换器产生良好的瞬态响应:MHz开关意味着小型和轻型电感器和电容器。当前下台 - 反之亦然。在一个端口处呈现的阻抗的变化在另一个端口处被反射(通过匝数比的平方,如预期的那样),并且功率将相应地流动。谐振,零电压和零电流开关确保低损耗:谐振回路中最小的存储能量通过转换器产生良好的瞬态响应:MHz开关意味着小型和轻型电感器和电容器。当前下台 - 反之亦然。在一个端口处呈现的阻抗的变化在另一个端口处被反射(通过匝数比的平方,如预期的那样),并且功率将相应地流动。谐振,零电压和零电流开关确保低损耗:谐振回路中最小的存储能量通过转换器产生良好的瞬态响应:MHz开关意味着小型和轻型电感器和电容器。vKF电子头条

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图1:正弦幅度转换器vKF电子头条

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尽管SAC拓扑本身是双向的,但两个功率组件系列对于双向应用特别有用。一种是总线转换器模块或BCM,它在两个电压轨之间提供隔离的固定比率转换。另一种是非隔离版本(称为NBM),在其他方面类似。后一部分在双向设置中稍微容易使用,因为它将从施加到任一端口的功率“启动”(建立和稳定谐振切换)。如果需要隔离,则使用BCM需要少量额外电路来提供偏置,以便从施加到“次级”的电源启动它。 vKF电子头条

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双向用例vKF电子头条

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高效的双向功率转换可以应用于一系列不同的场景,可以在一些通用分区中组合在一起,如图2所示。转换器(隔离或不隔离)可以向前运行 - 通常是降压,例如48 V至12 V:或相反,作为升压。它可以在不同的时刻向两个方向运行; 或者,在第四种情况下,双单元可以作为镜像对; 两个相同的单元背靠背连接。vKF电子头条

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图2:与SAC电源处理相关的四种模式vKF电子头条

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可再生能源正在为许多潜在应用的发展提供刺激。直到最近,光伏电池板的默认使用一直是并网阵列,通过逆变器供电,返回电力供应公用设施,以抵消甚至逆转(从)房产或设施的电力流。快速增长的基础是隔离(即不是并网)太阳能电池阵列的概念,为当地“微电网”的消耗提供本地存储。与此同时,在整个建筑范围(甚至更广泛)的范围内,直流配电概念的复兴。通常建议380V用于这种总线,并且作为高端电压,这是BCM / NBM系列模块今天可以容纳的水平。vKF电子头条

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图3显示了这种安装的一般情况,其中使用电池组作为备用,从一系列可再生能源提供多个DC负载。备用电池和机电飞轮将是需要双向功率流的示例。通过从可用范围中选择合适的转换比模块,可以轻松适应供电(或存储)侧的不同电压轨。在这张照片的消费者方面,LED照明可能会在低于主DC分布的电压下工作。再一次,合适的降压(“反向”)转换器模块可以处理转换。 vKF电子头条

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图3:基于24Vdc总线的子系统,带有智能100W USB C连接器vKF电子头条

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双向流动与调节vKF电子头条

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图4中的框图显示了实际上在与被供电设备(48V)不同的电位(例如12V)下的能量存储的特殊情况。通过NBM模块进行5:1转换; 监管始终处于高位。电池电压升高,然后调节到所需的水平; 或者为了充电,调节较高的总线电压,使得5:1的下变频产生正确的充电电平。图4实际上描述了一种用于电源实验室的新测试设备,它可以为产品提供稳定的测试电压并提供稳定的负载,回收能量,使得电网仅提供用于测试的一小部分。解决这个问题的传统方法是提供双电源路径; 降压(和调节)给电池充电,当主电源发生故障时,升压将电源恢复到48 V总线。除了电源转换功能之外,这还需要一些控制元件,具有安全锁定功能,可以从一种状态切换到另一种状态。使用双向系统组件可实现更简单,更紧凑的解决方案。然而,如上所述,目前在双向模块中不能进行调节,因此需要一些功率路径重新布线以在两个方向上使用单个调节器。vKF电子头条

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图4:电池测试中的双向DCvKF电子头条

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电力公用电网和超级电网实践的精确类比见图2中的第四种情况。在此,转换器在升压方向上连接,以在一定距离上以更高的电压传输功率,然后是相同的单元连接到降压,在远端。当然,目标是减少干扰布线中的I²R损耗。正如公用事业公司将其AC转换为数百kV用于传输一样,设计DC配电的工程师也可以将DC变压器用于同一端。虽然这采用了NBM模块的可逆性,但在这种情况下的功率流可能是也可能不是双向的。vKF电子头条

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采用这种策略的一个不寻常的情况是系留无人机或无人机(无人驾驶飞行器)。并非所有无人机都需要自由飞行,但可能需要延长操作时间(例如进行现场勘测或建筑摄影)。可以沿着脐带或系绳向这些机器供电。显然,理想的是,不应通过布线的重量来消除车载电池中保存的重量 - 因此,指示了薄规格的供电。以Vicor为模型的案例研究使用了50 V车载电机电源,但使用8:1转换器将其提升至400V,因此可以容忍具有2Ω回路电阻的细线。vKF电子头条

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车辆电气化vKF电子头条

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快速发展的电动汽车和混合动力汽车领域看起来将提供更多的应用,其中不同的直流母线之间的双向电力流动将证明是有用的。低电压(12 V和48 V)的双电压车辆架构要求,取决于它们是轻度,中等或全混合动力,总线的一系列互连,以及电池和设备之间的电力流动,例如集成启动器/发电机。全EV的数百伏动力牵引动力轨道仅增加了复杂性,并将该技术引入再生制动和能量回收领域。vKF电子头条

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所有这些案例都可以使用Vicor的在线PowerBench白板工具进行建模。这具有NBM转换器模块的全面“黑盒”行为模型。可以快速输入实际应用的参数,并且软件已准备好用于正向或反向转换器操作。可以立即准确预测转换器内部和永久性的实际电压,电流和损耗。支持并行连接模块,并且在双向情况下同样有效。使用具有双向功能的模块,功率从200 W到高达20 kW是可行的,额定电压可超过400 V.vKF电子头条

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结论vKF电子头条

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在了解双向电源转换组件的可用性后,许多工程师将立即想到直接应用,例如上面列出的备用电池/备用电源盒。但是,正如搁置从左到右的思维可能有助于理解某些原则一样,工程师可以在更远的地方寻找使用这种方法的机会。研究系统图; 有储能和能量回收吗?如果是这样,那就是这些双向产品的机会。它不仅仅是电能:它可能是动能(与电动或混合动力汽车一样)),潜在的能量,或任何其他形式的能转化为电能的形式。电源设计人员需要超越电源链,并询问他们如何使用这种方法来改进他们的系统。vKF电子头条

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