6個(gè)技術(shù)點(diǎn)，帶您理解用于電池儲能系統的 DC-DC 功率轉換拓撲結構

近年來(lái)， 太陽(yáng)能等可再生能源的應用顯著(zhù)增長(cháng)。推動(dòng)這一發(fā)展的因素包括政府的激勵措施、技術(shù)進(jìn)步以及系統成本降低。雖然光伏（PV）系統比以往任何時(shí)候都更加合理， 但仍然存在一個(gè)主要障礙， 即我們最需要能源時(shí)，太陽(yáng)能并不產(chǎn)生能源。清晨，當人們和企業(yè)開(kāi)始一天的工作時(shí)，對電網(wǎng)的需求會(huì )上升；晚上，當人們回到家中時(shí)，對電網(wǎng)的需求也會(huì )上升。然而，太陽(yáng)能發(fā)電是在太陽(yáng)升起后逐漸攀升的，但在需求量大的時(shí)段，如傍晚太陽(yáng)落山后，還是無(wú)法提供能源。因此，太陽(yáng)能等可再生能源越來(lái)越多地與儲能系統集成， 以?xún)Υ婺茉垂┖罄m使用。

與太陽(yáng)能光伏發(fā)電配套的儲能系統通常采用電池儲能系統（BESS）。關(guān)于BESS的進(jìn)步，如更優(yōu)質(zhì)、更廉價(jià)的電池已顯而易見(jiàn)，但較少提及的是更高效功率轉換方法的應用。在深入探討現代功率轉換拓撲結構之前，應該先討論一些重要的設計考慮因素。

隔離型與非隔離型

隔離型功率轉換拓撲在DC-DC階段通過(guò)使用變壓器來(lái)實(shí)現初級側與次級側的電磁隔離。因此，初級側與次級側各自擁有獨立的地線(xiàn)，而非共用接地。由于增加了變壓器，隔離型拓撲成本更高、體積更大且效率略低，在并網(wǎng)應用中，出于安全考慮， 電流隔離至關(guān)重要。

雙向功率轉換

雙向拓撲結構減少了連接低壓 BESS 至相應高壓直流母線(xiàn)所需的功率轉換模塊數量。安森美（onsemi）的 25 kW快速直流電動(dòng)汽車(chē)充電樁參考設計就是利用兩個(gè)雙向功率轉換模塊的一個(gè)例子。該雙向轉換器與電網(wǎng)連接，為電動(dòng)汽車(chē)的直流電池充電。AC-DC轉換階段采用三相 6組（6-pack） 升壓有源前端，而DC-DC階段采用雙有源橋 (DAB) 拓撲。DC-DC雙有源橋是較為流行的拓撲結構之一，稍后將對其進(jìn)行討論。

硬開(kāi)關(guān)與軟開(kāi)關(guān)

傳統的功率轉換器采用硬開(kāi)關(guān)控制方案。硬開(kāi)關(guān)的問(wèn)題在于，當晶體管從導通狀態(tài)切換到關(guān)斷狀態(tài)時(shí)（反之亦然） ，漏極至源極電壓（VDS）會(huì )降低，而漏極電流（ID）會(huì )增加。兩者存在重疊， 這種重疊會(huì )產(chǎn)生功率損耗，稱(chēng)為導通損耗和關(guān)斷開(kāi)關(guān)損耗。軟開(kāi)關(guān)是一種用于限制開(kāi)關(guān)損耗的控制方案，其方法是延遲 ID 斜坡到 VDS 接近于零時(shí)導通；延遲 VDS 斜坡到 ID 接近于零時(shí)關(guān)斷。這種延遲被稱(chēng)為死區時(shí)間，電流/電壓斜坡分別被稱(chēng)為零電壓（ZVS） 和零電流開(kāi)關(guān)（ZCS） 。軟開(kāi)關(guān)可通過(guò)諧振開(kāi)關(guān)拓撲（如 LLC 和 CLLC 轉換器）實(shí)現，以大幅降低開(kāi)關(guān)損耗。

兩電平與三電平拓撲（單相與雙相）

三電平轉換器拓撲結構比兩電平拓撲結構更具優(yōu)勢，原因有以下幾點(diǎn)。首先，三電平拓撲結構的開(kāi)關(guān)損耗低于兩電平拓撲結構。開(kāi)關(guān)損耗與施加在開(kāi)關(guān)上的電壓平方（V2）成正比，在三電平拓撲結構中， 只有一半的總輸出電壓被（部分）開(kāi)關(guān)所承受。其他優(yōu)勢來(lái)自于更低的電流紋波和 EMI。同樣，只有一半的總輸出電壓被施加到升壓電感器上，從而降低了電流紋波，使其更易于濾波。EMI 與電流紋波直接相關(guān)，降低電流紋波也就降低了 EMI。由于峰值-峰值開(kāi)關(guān)電壓降低， dV/dt 和 dI/dt 也隨之降低，從而進(jìn)一步減少了 EMI。

寬禁帶技術(shù)

如碳化硅（SiC） 等寬禁帶技術(shù)進(jìn)一步提高了功率轉換系統的效率。由于這些器件的固有特性，它們相比傳統的硅基MOSFET具有許多優(yōu)勢。其中一些重要因素包括：

由于擊穿電場(chǎng)和禁帶能量更高， 器件的擊穿電壓更高；

熱傳導率更高，從而降低了冷卻要求；

導通電阻更低，從而改善了導通損耗；

電子飽和速度更高，從而實(shí)現了更快的開(kāi)關(guān)速度。

DC-DC拓撲

1.同步降壓、同步升壓以及反激式轉換器

同步轉換器源自經(jīng)典的降壓和升壓轉換器。之所以稱(chēng)為同步轉換器，是因為它用一個(gè)額外的有源開(kāi)關(guān)取代了二極管。反激式轉換器與同步轉換器類(lèi)似， 不同之處在于通過(guò)用耦合電感器（也稱(chēng)為 1:1 變壓器）取代電感器，增加了隔離功能。

增加這種變壓器可以起到隔離的作用，但可能需要一個(gè)電壓箝位緩沖電路來(lái)抑制變壓器的漏電流。由于結構和調制方案簡(jiǎn)單，這些轉換器的成本較低，但與一些更先進(jìn)的拓撲結構相比，損耗和電磁干擾（EMI）往往較高。

2.對稱(chēng)升壓-降壓

對稱(chēng)降壓-升壓轉換器是一種應用于高功率系統中的三電平拓撲結構實(shí)例。如前所述，對于標準的兩電平轉換器，開(kāi)關(guān)上的電壓應力來(lái)自于總母線(xiàn)電壓，而對于更高功率的系統，這一數值可能達到1000V或更高。這就需要在高功率系統中使用額定電壓為1200V及以上的晶體管。

與此相反，像對稱(chēng)降壓-升壓轉換器這樣的三電平拓撲僅需使用額定電壓為母線(xiàn)電壓一半的器件，且還具有降低開(kāi)關(guān)損耗、減小電磁干擾（EMI）以及更小的磁性元件體積等額外優(yōu)勢。其缺點(diǎn)主要源于對更多開(kāi)關(guān)和更復雜控制算法的要求。

3.飛跨電容轉換器（FCC）

飛跨電容轉換器（FCC）是一種三電平轉換器，這種配置能夠實(shí)現雙向功率流。它由四個(gè)開(kāi)關(guān)、一個(gè)電感器和一個(gè)跨接在中間兩個(gè)開(kāi)關(guān)的飛跨電容組成。由于這是一種三電平拓撲結構，飛跨電容充當了箝位電容（或恒壓源）的角色， 該結構還具有開(kāi)關(guān)電壓應力減半的優(yōu)點(diǎn)。

因此，這種拓撲結構的優(yōu)點(diǎn)包括使用較低電壓、 具有更高性能開(kāi)關(guān)、無(wú)源元件尺寸較小以及減少了電磁干擾。這種電路拓撲結構的缺點(diǎn)是必須配備啟動(dòng)電路，將飛跨電容的電壓調節到母線(xiàn)電壓的一半， 從而充分利用低電壓開(kāi)關(guān)的優(yōu)勢。

4.雙有源橋（DAB）

雙有源橋（DAB）是最常見(jiàn)的隔離型雙向拓撲之一。如圖7所示，其在初級側和次級側均采用了全橋配置。每個(gè)橋通過(guò)移相控制，即控制相對于彼此相位偏移的方波，來(lái)控制功率流方向。

此拓撲的一些優(yōu)點(diǎn)包括：每個(gè)開(kāi)關(guān)上的電壓應力限于母線(xiàn)電壓、 兩側所有開(kāi)關(guān)上的電流應力大致相等，以及無(wú)需額外元件（如諧振電路）即可實(shí)現軟開(kāi)關(guān)。一些缺點(diǎn)則是由于高電流紋波，濾波電路至關(guān)重要，且在輕載條件下轉換器的軟開(kāi)關(guān)能力可能會(huì )失效。

5.LLC諧振轉換器

LLC 轉換器是一種可利用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的諧振拓撲結構。下圖顯示了這種拓撲結構在初級側可以采用半橋或全橋配置。LLC 轉換器通常以單向模式運行，但也可以通過(guò)將現有的二極管換成有源開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現雙向運行。該電路的諧振回路包括一個(gè)諧振電感器、一個(gè)諧振電容器和一個(gè)磁化電感器。與之前的 DAB 拓撲相比，該電路的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是在整個(gè)負載范圍內保持軟開(kāi)關(guān)特性。

6.CLLC諧振轉換器

CLLC 轉換器是另一種可利用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)和雙向功率流的諧振拓撲結構。它在初級側和次級側均包含一個(gè)諧振電感器和一個(gè)諧振電容器。該電路和其他在初級側和次級側都包含全橋的電路的一個(gè)共同優(yōu)點(diǎn)在于，其控制原理是相同的。此外，與之前的 LLC 轉換器一樣， CLLC 可在整個(gè)負載范圍內實(shí)現軟開(kāi)關(guān)特性。不過(guò)， CLLC 優(yōu)于 LLC 拓撲的一個(gè)原因是對稱(chēng)諧振回路。LLC 拓撲具有非對稱(chēng)諧振回路，導致反向操作與正向操作不同。具有對稱(chēng)諧振回路的 CLLC解決了這一問(wèn)題，因此更容易實(shí)現雙向充電。

電池儲能系統持續演進(jìn)，并伴隨可再生能源發(fā)電技術(shù)得到更廣泛的應用，這催生了對更高效、更可靠功率轉換系統的需求。本文探討了現代功率轉換系統的重要特征以及實(shí)現這些特征的一些常見(jiàn)DC-DC電路拓撲。

文中所討論的許多電路拓撲均可利用安森美免費在線(xiàn)的基于PLECS的Elite Power仿真工具進(jìn)行仿真， 以更深入地了解器件級和系統級效率。

文章來(lái)源：安森美