為提高效率——如何將雙向功率流集成到UPS設(shè)計中（第一部分）

隨著對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DC/DC換流器組合在一起，降低了整個系統(tǒng)的成本、組件數(shù)量和尺寸。

此系列博文將分兩個部分研究在不間斷電源（UPS）、電池備份單元和儲能系統(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力或高級ECO模式UPS，獲得的進展甚少。

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總線進行充電。另一臺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)計是一種數(shù)字控制的2kW隔離雙向DC/DC換流器，設(shè)計用于在300V至400VDC總線和48V電池組之間傳輸功率。參考設(shè)計在高壓側(cè)具有全橋功率級，而在低壓側(cè)具有電流饋電全橋級。存在直流母線（正常條件）的情況下，設(shè)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(shè)計作為電流饋電全橋轉(zhuǎn)換器運行，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行時間。在36V至60V的寬輸入電壓范圍內(nèi)，使用電流饋電全橋級在放電模式下實現(xiàn)高效率，其優(yōu)化隔離變壓器的設(shè)計，以繞組中的最小化均方根（RMS）電流，同時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)換或隨時間的變化對于確保負載供電的連續(xù)性至關(guān)重要。參考設(shè)計的轉(zhuǎn)換時間小于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)計的工作細節(jié)。