為提高效率――如何將雙向功率流集成到UPS設計中

隨著(zhù)對更緊湊和更高效電力系統的日益重視，雙向轉換器越來(lái)越受到關(guān)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上所需的兩個(gè)DC/DC換流器組合在一起，降低了整個(gè)系統的成本、組件數量和尺寸。

此系列博文將分兩個(gè)部分研究在不間斷電源(UPS)、電池備份單元和儲能系統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(guān)鍵和非關(guān)鍵應用中提供不間斷電源。UPS系統可從傳統意義上分為備用UPS、線(xiàn)路交互式UPS和在線(xiàn)式或雙換流UPS。在新類(lèi)別的UPS開(kāi)發(fā)方面，如備用在線(xiàn)式混合動(dòng)力或高級ECO模式UPS，獲得的進(jìn)展甚少。

圖1所示為傳統在線(xiàn)式UPS的框圖。

圖1：常規在線(xiàn)式UPS的框圖

在正常運行中，主直流母線(xiàn)通過(guò)交流網(wǎng)格源調節在300V至400V之間。電池作為儲能單元，可以使用專(zhuān)用的AC/DC或DC/DC換流器通過(guò)AC電源或DC總線(xiàn)進(jìn)行充電。另一臺DC/DC升壓轉換器用于在斷電期間將電池的電力從電池傳輸到DC-Bus(備用操作)。圖2所示為具有雙向換流器的在線(xiàn)式UPS的框圖。

圖2：具有雙向DC-DC換流器的在線(xiàn)式UPS框圖

高效小型雙向參考設計是一種數字控制的2kW隔離雙向DC/DC換流器，設計用于在300V至400VDC總線(xiàn)和48V電池組之間傳輸功率。參考設計在高壓側具有全橋功率級，而在低壓側具有電流饋電全橋級。存在直流母線(xiàn)(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換器運行，將48V電池(36V至60V輸入)的功率提升至380VDC總線(xiàn)，支持備份載入。

圖3：隔離雙向DC-DC換流器的框圖

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(cháng)的運行時(shí)間。在36V至60V的寬輸入電壓范圍內，使用電流饋電全橋級在放電模式下實(shí)現高效率，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(shí)最小化通過(guò)輸入電容器的紋波電流。

在100kHz的高開(kāi)關(guān)頻率下工作，該參考設計的功率水平為2kW，尺寸為185mm×170mm。

圖4：備份模式下的系統效率(升壓模式)

從充電模式到備用模式的轉換或隨時(shí)間的變化對于確保負載供電的連續性至關(guān)重要。參考設計的轉換時(shí)間小于100μs，從而減少了系統在轉換期間提供電源所需的大容量電容量。

圖5：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。