為了提高效率-如何將雙向功率流集成到UPS設計中（第2部分）

在本系列的第1部分，我討論了如何將雙向功率流集成到您的不間斷電源（UPS）設計中。在第二部分中，我將更仔細地研究2kW，48V至400V，效率>93%，隔離雙向DC/DC轉換器UPS參考設計以及備用電池應用

正如我在第1部分中所解釋的，這個(gè)參考設計在電池充電時(shí)作為電壓饋電的全橋DC/DC變換器工作，在備用模式下作為有源鉗位電流饋電的全橋變換器工作。在備份模式下實(shí)現高效率是非常重要的，因為最大功率傳輸（2kW）發(fā)生在這種模式下。讓我們看看有源箝位電流饋電轉換器是如何工作的。

在備用模式下工作時(shí)，系統從電池獲取電力，電池電壓從36V到60V不等，并將其提升至一個(gè)幾乎恒定的380V直流母線(xiàn)。實(shí)現這一點(diǎn)的一種方法是boost變換器使用電流饋電的變換器拓撲。

電流型轉換器非常適合在輸入或輸出電壓需要在很大范圍內變化的情況下工作。它們易于控制，具有防止變壓器飽和的固有保護，并且易于并聯(lián)。但是傳統上，電流型變換器的缺點(diǎn)是金屬氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管（MOSFET）在關(guān)斷時(shí)會(huì )經(jīng)歷高電壓尖峰。為了緩解這一缺點(diǎn)，必須使用有損無(wú)源緩沖器和具有更高額定電壓的mosfet。例如，最大工作輸入電壓為60V的系統需要150V或200V的MOSFET。這種高電壓要求導致效率降低，因為這些MOSFET沒(méi)有針對漏源導通電阻（RDS（開(kāi)）)門(mén)電荷（Qg）

通過(guò)在低壓電流饋電全橋中增加一個(gè)有源箝位電路，參考設計將高關(guān)斷電壓峰值降低到輸入電壓以上15V以下，而無(wú)需額外的無(wú)源緩沖器。啟動(dòng)期間的低壓MOSFET vds如下圖1所示。

圖1：低壓MOSFET Vds與啟動(dòng)時(shí)的電感電流

通過(guò)控制有源箝位電路的工作，可以利用漏感儲能實(shí)現低壓MOSFET的零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS）導通。這進(jìn)一步提高了系統在備份模式下的效率。

圖2顯示了低壓MOSFET的ZVS開(kāi)啟。在有源箝位MOSFET關(guān)閉之前，ZVS的范圍取決于漏感的值和流過(guò)箝位電路的電流。

電流型變換器有一個(gè)固有的優(yōu)點(diǎn)，它可以保證MOSFET的零電流開(kāi)關(guān)（ZCS）開(kāi)啟。這是因為電流型轉換器的開(kāi)關(guān)周期重疊。例如，在MOSFET對Q1、Q3打開(kāi)之前，MOSFET對Q2、Q4已經(jīng)打開(kāi)。這樣可以確保當Q1和Q3接通時(shí)，通過(guò)它們的電流為零。在參考設計中，低壓mosfet通常在ZVS或ZCS中導通。見(jiàn)圖2和圖3。

圖2：低壓MOSFET在零電壓開(kāi)關(guān)下導通

圖3：低壓MOSFET在ZCS處的導通

有源鉗位電流饋電全橋的工作原理和初級（低壓側）的臨界波形如下圖4所示。標有紅色箭頭的區域表示當MOSFET對Q1、Q3關(guān)閉時(shí)，電流轉移到有源鉗位。這導致MOSFET上的電壓尖峰降低。標有綠色的區域顯示ZVS開(kāi)啟操作。

圖4：有源箝位電流型全橋變換器波形重構

電流型變換器保證了高壓全橋mosfet在后備模式下作為同步整流器工作時(shí)的ZVS導通和關(guān)斷。由于這種拓撲結構與重疊開(kāi)關(guān)一起工作-所有一次低壓全橋開(kāi)關(guān)在短時(shí)間內同時(shí)打開(kāi)-關(guān)閉時(shí)二次側高壓MOSFET上的di/dt很小，從而確保二次側MOSFET上的反向恢復損耗降低。

總的來(lái)說(shuō)，使用基于有源箝位電流饋電變換器的拓撲結構在隔離雙向變換器應用中顯示出顯著(zhù)的優(yōu)勢。電流饋電電感的存在平滑了開(kāi)關(guān)電流，因此降低了輸入和輸出電容器的紋波電流處理要求。在軟開(kāi)關(guān)能力和易于控制方面，它帶來(lái)的優(yōu)勢使其成為UPS、電池備用裝置應用的一個(gè)值得選擇的選擇。