為了提高效率-如何將雙向功率流集成到UPS設(shè)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(shè)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(zhuǎn)換器UPS參考設(shè)計以及備用電池應(yīng)用

正如我在第1部分中所解釋的，這個參考設(shè)計在電池充電時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。在備份模式下實現(xiàn)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(zhuǎn)換器是如何工作的。

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

電流型轉(zhuǎn)換器非常適合在輸入或輸出電壓需要在很大范圍內(nèi)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(tǒng)上，電流型變換器的缺點是金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）在關(guān)斷時會經(jīng)歷高電壓尖峰。為了緩解這一缺點，必須使用有損無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(tǒng)需要150V或200V的MOSFET。這種高電壓要求導(dǎo)致效率降低，因為這些MOSFET沒有針對漏源導(dǎo)通電阻（RDS（開）)門電荷（Qg）

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

圖1：低壓MOSFET Vds與啟動時的電感電流

通過控制有源箝位電路的工作，可以利用漏感儲能實現(xiàn)低壓MOSFET的零電壓開關(guān)（ZVS）導(dǎo)通。這進一步提高了系統(tǒng)在備份模式下的效率。

圖2顯示了低壓MOSFET的ZVS開啟。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箝位電路的電流。

電流型變換器有一個固有的優(yōu)點，它可以保證MOSFET的零電流開關(guān)（ZCS）開啟。這是因為電流型轉(zhuǎn)換器的開關(guān)周期重疊。例如，在MOSFET對Q1、Q3打開之前，MOSFET對Q2、Q4已經(jīng)打開。這樣可以確保當Q1和Q3接通時，通過它們的電流為零。在參考設(shè)計中，低壓mosfet通常在ZVS或ZCS中導(dǎo)通。見圖2和圖3。

圖2：低壓MOSFET在零電壓開關(guān)下導(dǎo)通

圖3：低壓MOSFET在ZCS處的導(dǎo)通

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

圖4：有源箝位電流型全橋變換器波形重構(gòu)

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的ZVS導(dǎo)通和關(guān)斷。由于這種拓撲結(jié)構(gòu)與重疊開關(guān)一起工作-所有一次低壓全橋開關(guān)在短時間內(nèi)同時打開-關(guān)閉時二次側(cè)高壓MOSFET上的di/dt很小，從而確保二次側(cè)MOSFET上的反向恢復(fù)損耗降低。

總的來說，使用基于有源箝位電流饋電變換器的拓撲結(jié)構(gòu)在隔離雙向變換器應(yīng)用中顯示出顯著的優(yōu)勢。電流饋電電感的存在平滑了開關(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。在軟開關(guān)能力和易于控制方面，它帶來的優(yōu)勢使其成為UPS、電池備用裝置應(yīng)用的一個值得選擇的選擇。