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Onsemi -6个技术点,带您理解用于电池储能系统的 DC-DC 功率转换拓扑结构

  近年来, 太阳能等可再生动力的使用显著增进。推进这一进展的要素包孕当局的鼓励步伐、手艺前进以及体系本钱下降。尽管光伏(PV)体系比以往任何时间都加倍正当, 但仍然存在一个首要阻碍, 即咱们最需要动力时,太阳能其实不发生动力。凌晨,当人们和企业开端一天的事情时,对电网的需要会回升;晚上,当人们回到家中时,对电网的需要也会回升。然而,太阳能发电是在太阳升起后逐步爬升的,但在需要量大的时段,如黄昏太阳落山后,仍是无奈供应动力。是以,太阳能等可再生动力越来越多地与储能体系集成, 以贮存动力供后续应用。   与太阳能光伏发电配套的储能体系平日接纳电池储能体系(BESS)。对于BESS的前进,如更优质、更便宜的电池已显而易见,但较少说起的是更高效功率转换要领的使用。在深刻探究当代功率转换拓扑布局以前,应当先接头一些首要的设想思量要素。   断绝型与非断绝型   断绝型功率转换拓扑在DC-DC阶段经由过程应用变压器来完成低级侧与次级侧的电磁断绝。是以,低级侧与次级侧各自领有自力的地线,而非共用接地。因为增加了变压器,断绝型拓扑本钱更高、体积更大且服从略低,在并网使用中,出于平安思量, 电流断绝相当首要。   双向功率转换   双向拓扑布局减少了连贯高压 BESS 至响应低压直流母线所需的功率转换模块数目。安森美(onsemi)的 25 kW倏地直流电动汽车充电桩参考设想便是应用两个双向功率转换模块的一个例子。该双向转换器与电网连贯,为电动汽车的直流电池充电。AC-DC转换阶段接纳三相 6组(6-pack) 升压有源前端,而DC-DC阶段接纳双有源桥 (DAB) 拓扑。DC-DC双有源桥是较为风行的拓扑布局之一,稍后将对其举行接头。   硬开关与软开关   传统的功率转换器接纳硬开关操纵计划。硬开关的题目在于,当晶体管从导通状况切换到关断状况时(反之亦然) ,漏极至源极电压(VDS)会下降,而漏极电流(ID)会增添。二者存在堆叠, 这类堆叠会发生功率消耗,称为导通消耗和关断开关消耗。软开关是一种用于限定开关消耗的操纵计划,其要领是耽误 ID 斜坡到 VDS 接近于零时导通;耽误 VDS 斜坡到 ID 接近于零时关断。这类耽误被称为死区时候,电流/电压斜坡分手被称为零电压(ZVS) 和零电流开关(ZCS) 。软开关可通过谐振开关拓扑(如 LLC 和 CLLC 转换器)完成,以大幅下降开关消耗。   两电平与三电平拓扑(单相与双相)   三电平转换器拓扑布局比两电平拓扑布局更具上风,缘故原由有如下几点。起首,三电平拓扑布局的开关消耗低于两电平拓扑布局。开关消耗与施加在开打开的电压平方(V2)成正比,在三电平拓扑布局中, 惟独一半的总输入电压被(部份)开关所经受。其余上风来自于更低的电流纹波和 EMI。异样,惟独一半的总输入电压被施加到升压电感器上,从而降低了电流纹波,使其更易于滤波。EMI 与电流纹波间接相干,下降电流纹波也就降低了 EMI。因为峰值-峰值开关电压下降, dV/dt 和 dI/dt 也随之下降,从而进一步减少了 EMI。

 

  图1.两电平拓扑布局

  图2.三电平拓扑布局   宽禁带手艺   如碳化硅(SiC) 等宽禁带手艺进一步提高了功率转换体系的服从。因为这些器件的固有特点,它们相比传统的硅基MOSFET拥有许多上风。此中一些首要要素包孕:   因为击穿电场和禁带能量更高, 器件的击穿电压更高;   热传导率更高,从而降低了冷却请求;   导通电阻更低,从而改良了导通消耗;   电子饱和速率更高,从而完成了更快的开关速率。   DC-DC拓扑   1.同步降压、同步升压以及反激式转换器   同步转换器源自经典的降压和升压转换器。之所以称为同步转换器,是因为它用一个额定的有源开关庖代了二极管。反激式转换器与同步转换器近似, 分歧的地方在于经由过程用耦合电感器(也称为 1:1 变压器)庖代电感器,增加了断绝性能。

  增添这类变压器能够起到断绝的感化,但大概需求一个电压箝位缓冲电路来按捺变压器的漏电流。因为布局和调制计划简略,这些转换器的本钱较低,但与一些更进步前辈的拓扑布局相比,消耗和电磁滋扰(EMI)每每较高。

  图3.同步升压

  图4.同步降压   2.对称升压-降压   对称降压-升压转换器是一种应用于高功率体系中的三电平拓扑布局实例。如前所述,关于规范的两电平转换器,开打开的电压应力来自于总母线电压,而关于更高功率的体系,这一数值大概达到1000V或更高。这就需要在高功率体系中应用额外电压为1200V及以上的晶体管。

  与此相同,像对称降压-升压转换器如许的三电平拓扑仅需应用额外电压为母线电压一半的器件,且还具有下降开关消耗、减小电磁滋扰(EMI)以及更小的磁性元件体积等额定上风。其瑕玷首要源于对更多开关和更庞杂操纵算法的请求。

    图5.三电平对称升压-降压   3.飞跨电容转换器(FCC)   飞跨电容转换器(FCC)是一种三电平转换器,这类设置可以或许完成双向功率流。它由四个开关、一个电感器和一个跨接在旁边两个开关的飞跨电容构成。因为这是一种三电平拓扑布局,飞跨电容充当了箝位电容(或恒压源)的脚色, 该布局还具有开关电压应力减半的好处。

  是以,这类拓扑布局的好处包孕应用较低电压、 拥有更高功能开关、无源元件尺寸较小以及减少了电磁滋扰。这类电路拓扑布局的瑕玷是必需配备启动电路,将飞跨电容的电压调理到母线电压的一半, 从而充沛应用低电压开关的上风。

  图6.三电平双向飞跨电容转换器   4.双有源桥(DAB)   双有源桥(DAB)是最常断绝型双向拓扑之一。如图7所示低级侧和次级侧均采用了设置每一个经由过程操纵操纵相对相互相位偏移的方波操纵功率偏向。

  此拓扑的一些好处包孕每一个打开的电压应力限于母线电压双侧所有打开的电流应力大致相称,以及无需额定元件(如谐振电路)即可完成软开关。一些瑕玷则是因为高电流纹波,滤波电路相当首要,且在轻载条件下转换器的软开关才能可能会生效。

     图7. 双向有源桥   5.LLC谐振转换器

  LLC 转换器是一种可利用软开关手艺的谐振拓扑布局。下图表现这类拓扑布局低级能够接纳设置。LLC 转换器通常以单向模式运转,但也能够经由过程将现有的二极管换成有源开关完成双向运转。该电路的谐振回路包孕一个谐振电感器、一个谐振电容器和一个磁化电感器以前的 DAB 拓扑相比,该电路的一个好处全部负载范围内坚持软开关特点。

  

  图8.半桥式LLC转换器

  图9.全桥式LLC转换器   6.CLLC谐振转换器

  CLLC 转换器是另一种可利用软开关手艺和双向功率流的谐振拓扑布局。它在低级侧和次级包括一个谐振电感器和一个谐振电容器。该电路其余低级侧和次级包括全桥的电路的一个配合好处在于操纵道理沟通另外以前的 LLC 转换器同样, CLLC 可在全部负载范围内完成软开关特点无非, CLLC 优于 LLC 拓扑的一个原因是对称谐振回路。LLC 拓扑拥有非对称谐振回路致使反向操纵与正向操纵分歧拥有对称谐振回路的 CLLC解决了这一题目是以轻易完成双向充电。

     图10.双向CLLC转换器   电池体系继续演进伴有可再生动力发电手艺失掉普遍使用,这催生了对更高效靠得住功率转换体系需要。本文探讨了当代功率转换体系首要特性以及完成这些特性的一些罕见DC-DC电路拓扑。
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