為提高效率――如何將雙向功率流集成到UPS設(shè)計(jì)中

隨著對(duì)更緊湊和更高效電力系統(tǒng)的日益重視，雙向轉(zhuǎn)換器越來越受到關(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(tǒng)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(tǒng)的成本、組件數(shù)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(chǔ)能系統(tǒng)裝置應(yīng)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(yīng)用中提供不間斷電源。UPS系統(tǒng)可從傳統(tǒng)意義上分為備用UPS、線路交互式UPS和在線式或雙換流UPS。在新類別的UPS開發(fā)方面，如備用在線式混合動(dòng)力或高級(jí)ECO模式UPS，獲得的進(jìn)展甚少。

圖1所示為傳統(tǒng)在線式UPS的框圖。

圖1：常規(guī)在線式UPS的框圖

在正常運(yùn)行中，主直流母線通過交流網(wǎng)格源調(diào)節(jié)在300V至400V之間。電池作為儲(chǔ)能單元，可以使用專用的AC/DC或DC/DC換流器通過AC電源或DC總線進(jìn)行充電。另一臺(tái)DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器用于在斷電期間將電池的電力從電池傳輸?shù)紻C-Bus(備用操作)。圖2所示為具有雙向換流器的在線式UPS的框圖。

圖2：具有雙向DC-DC換流器的在線式UPS框圖

高效小型雙向參考設(shè)計(jì)是一種數(shù)字控制的2kW隔離雙向DC/DC換流器，設(shè)計(jì)用于在300V至400VDC總線和48V電池組之間傳輸功率。參考設(shè)計(jì)在高壓側(cè)具有全橋功率級(jí)，而在低壓側(cè)具有電流饋電全橋級(jí)。存在直流母線(正常條件)的情況下，設(shè)計(jì)以降壓模式運(yùn)行，并以恒定電流對(duì)電池充電，直至電池電壓處于限制值。在斷電期間，該設(shè)計(jì)作為電流饋電全橋轉(zhuǎn)換器運(yùn)行，將48V電池(36V至60V輸入)的功率提升至380VDC總線，支持備份載入。

圖3：隔離雙向DC-DC換流器的框圖

參考設(shè)計(jì)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的運(yùn)行時(shí)間。在36V至60V的寬輸入電壓范圍內(nèi)，使用電流饋電全橋級(jí)在放電模式下實(shí)現(xiàn)高效率，其優(yōu)化隔離變壓器的設(shè)計(jì)，以繞組中的最小化均方根(RMS)電流，同時(shí)最小化通過輸入電容器的紋波電流。

在100kHz的高開關(guān)頻率下工作，該參考設(shè)計(jì)的功率水平為2kW，尺寸為185mm×170mm。

圖4：備份模式下的系統(tǒng)效率(升壓模式)

從充電模式到備用模式的轉(zhuǎn)換或隨時(shí)間的變化對(duì)于確保負(fù)載供電的連續(xù)性至關(guān)重要。參考設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)換時(shí)間小于100μs，從而減少了系統(tǒng)在轉(zhuǎn)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(yīng)用的2KW、隔離DC-DC雙向參考設(shè)計(jì)的工作細(xì)節(jié)。