用于電池儲能系統(tǒng) (BESS) 的 DC-DC 功率轉(zhuǎn)換拓撲結(jié)構(gòu)

近年來，太陽能等可再生能源的應(yīng)用顯著增長。推動這一發(fā)展的因素包括政府的激勵措施、技術(shù)進步以及系統(tǒng)成本降低。雖然光伏（PV）系統(tǒng)比以往任何時候都更加合理，但仍然存在一個主要障礙，即我們最需要能源時，太陽能并不產(chǎn)生能源。清晨，當人們和企業(yè)開始一天的工作時，對電網(wǎng)的需求會上升；晚上，當人們回到家中時，對電網(wǎng)的需求也會上升。然而，太陽能發(fā)電是在太陽升起后逐漸攀升的，但在需求量大的時段，如傍晚太陽落山后，還是無法提供能源。因此，太陽能等可再生能源越來越多地與儲能系統(tǒng)集成，以儲存能源供后續(xù)使用。

與太陽能光伏發(fā)電配套的儲能系統(tǒng)通常采用電池儲能系統(tǒng)（BESS）。關(guān)于BESS的進步，如更優(yōu)質(zhì)、更廉價的電池已顯而易見，但較少提及的是更高效功率轉(zhuǎn)換方法的應(yīng)用。在深入探討現(xiàn)代功率轉(zhuǎn)換拓撲結(jié)構(gòu)之前，應(yīng)該先討論一些重要的設(shè)計考慮因素。

隔離型與非隔離型

隔離型功率轉(zhuǎn)換拓撲在DC-DC階段通過使用變壓器來實現(xiàn)初級側(cè)與次級側(cè)的電磁隔離。因此，初級側(cè)與次級側(cè)各自擁有獨立的地線，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(yīng)用中，出于安全考慮，電流隔離至關(guān)重要。

雙向功率轉(zhuǎn)換

雙向拓撲結(jié)構(gòu)減少了連接低壓 BESS 至相應(yīng)高壓直流母線所需的功率轉(zhuǎn)換模塊數(shù)量。安森美（onsemi） 的 25 kW快速直流電動汽車充電樁參考設(shè)計就是利用兩個雙向功率轉(zhuǎn)換模塊的一個例子。該雙向轉(zhuǎn)換器與電網(wǎng)連接，為電動汽車的直流電池充電。AC-DC轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)之一，稍后將對其進行討論。

硬開關(guān)與軟開關(guān)

傳統(tǒng)的功率轉(zhuǎn)換器采用硬開關(guān)控制方案。硬開關(guān)的問題在于，當晶體管從導(dǎo)通狀態(tài)切換到關(guān)斷狀態(tài)時（反之亦然），漏極至源極電壓（VDS）會降低，而漏極電流（ID）會增加。兩者存在重疊，這種重疊會產(chǎn)生功率損耗，稱為導(dǎo)通損耗和關(guān)斷開關(guān)損耗。軟開關(guān)是一種用于限制開關(guān)損耗的控制方案，其方法是延遲 ID 斜坡到 VDS 接近于零時導(dǎo)通；延遲 VDS 斜坡到 ID 接近于零時關(guān)斷。這種延遲被稱為死區(qū)時間，電流/電壓斜坡分別被稱為零電壓（ZVS）和零電流開關(guān)（ZCS）。軟開關(guān)可通過諧振開關(guān)拓撲（如 LLC 和 CLLC 轉(zhuǎn)換器）實現(xiàn)，以大幅降低開關(guān)損耗。

兩電平與三電平拓撲（單相與雙相）

三電平轉(zhuǎn)換器拓撲結(jié)構(gòu)比兩電平拓撲結(jié)構(gòu)更具優(yōu)勢，原因有以下幾點。首先，三電平拓撲結(jié)構(gòu)的開關(guān)損耗低于兩電平拓撲結(jié)構(gòu)。開關(guān)損耗與施加在開關(guān)上的電壓平方（V2）成正比，在三電平拓撲結(jié)構(gòu)中，只有一半的總輸出電壓被（部分）開關(guān)所承受。其他優(yōu)勢來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-峰值開關(guān)電壓降低，dV/dt 和 dI/dt 也隨之降低，從而進一步減少了 EMI。

圖1.兩電平拓撲結(jié)構(gòu)

圖2.三電平拓撲結(jié)構(gòu)

寬禁帶技術(shù)

如碳化硅（SiC）等寬禁帶技術(shù)進一步提高了功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的效率。由于這些器件的固有特性，它們相比傳統(tǒng)的硅基MOSFET具有許多優(yōu)勢。其中一些重要因素包括：由于擊穿電場和禁帶能量更高，器件的擊穿電壓更高；熱傳導(dǎo)率更高，從而降低了冷卻要求；導(dǎo)通電阻更低，從而改善了導(dǎo)通損耗；電子飽和速度更高，從而實現(xiàn)了更快的開關(guān)速度。

DC-DC拓撲

同步降壓、同步升壓以及反激式轉(zhuǎn)換器

同步轉(zhuǎn)換器源自經(jīng)典的降壓和升壓轉(zhuǎn)換器。之所以稱為同步轉(zhuǎn)換器，是因為它用一個額外的有源開關(guān)取代了二極管。反激式轉(zhuǎn)換器與同步轉(zhuǎn)換器類似，不同之處在于通過用耦合電感器（也稱為 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，但可能需要一個電壓箝位緩沖電路來抑制變壓器的漏電流。由于結(jié)構(gòu)和調(diào)制方案簡單，這些轉(zhuǎn)換器的成本較低，但與一些更先進的拓撲結(jié)構(gòu)相比，損耗和電磁干擾（EMI）往往較高。

圖3.同步升壓

圖4.同步降壓

對稱升壓-降壓

對稱降壓-升壓轉(zhuǎn)換器是一種應(yīng)用于高功率系統(tǒng)中的三電平拓撲結(jié)構(gòu)實例。如前所述，對于標準的兩電平轉(zhuǎn)換器，開關(guān)上的電壓應(yīng)力來自于總母線電壓，而對于更高功率的系統(tǒng)，這一數(shù)值可能達到1000V或更高。這就需要在高功率系統(tǒng)中使用額定電壓為1200V及以上的晶體管。與此相反，像對稱降壓-升壓轉(zhuǎn)換器這樣的三電平拓撲僅需使用額定電壓為母線電壓一半的器件，且還具有降低開關(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。其缺點主要源于對更多開關(guān)和更復(fù)雜控制算法的要求。

圖5.三電平對稱升壓-降壓

飛跨電容轉(zhuǎn)換器（FCC）

飛跨電容轉(zhuǎn)換器（FCC）是一種三電平轉(zhuǎn)換器，這種配置能夠?qū)崿F(xiàn)雙向功率流。它由四個開關(guān)、一個電感器和一個跨接在中間兩個開關(guān)的飛跨電容組成。由于這是一種三電平拓撲結(jié)構(gòu)，飛跨電容充當了箝位電容（或恒壓源）的角色，該結(jié)構(gòu)還具有開關(guān)電壓應(yīng)力減半的優(yōu)點。因此，這種拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)點包括使用較低電壓、具有更高性能開關(guān)、無源元件尺寸較小以及減少了電磁干擾。 這種電路拓撲結(jié)構(gòu)的缺點是必須配備啟動電路，將飛跨電容的電壓調(diào)節(jié)到母線電壓的一半，從而充分利用低電壓開關(guān)的優(yōu)勢。

圖6.三電平雙向飛跨電容轉(zhuǎn)換器

雙有源橋（DAB）

雙有源橋（DAB）是最常見的隔離型雙向拓撲之一。如圖7所示，其在初級側(cè)和次級側(cè)均采用了全橋配置。每個橋通過移相控制，即控制相對于彼此相位偏移的方波，來控制功率流方向。此拓撲的一些優(yōu)點包括：每個開關(guān)上的電壓應(yīng)力限于母線電壓、兩側(cè)所有開關(guān)上的電流應(yīng)力大致相等，以及無需額外元件（如諧振電路）即可實現(xiàn)軟開關(guān)。一些缺點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(zhuǎn)換器的軟開關(guān)能力可能會失效。

圖7. 雙向有源橋

LLC諧振轉(zhuǎn)換器

LLC 轉(zhuǎn)換器是一種可利用軟開關(guān)技術(shù)的諧振拓撲結(jié)構(gòu)。下圖顯示了這種拓撲結(jié)構(gòu)在初級側(cè)可以采用半橋或全橋配置。LLC 轉(zhuǎn)換器通常以單向模式運行，但也可以通過將現(xiàn)有的二極管換成有源開關(guān)來實現(xiàn)雙向運行。該電路的諧振回路包括一個諧振電感器、一個諧振電容器和一個磁化電感器。與之前的 DAB 拓撲相比，該電路的一個優(yōu)點是在整個負載范圍內(nèi)保持軟開關(guān)特性。

圖8.半橋式LLC轉(zhuǎn)換器

圖9.全橋式LLC轉(zhuǎn)換器

CLLC諧振轉(zhuǎn)換器

CLLC 轉(zhuǎn)換器是另一種可利用軟開關(guān)技術(shù)和雙向功率流的諧振拓撲結(jié)構(gòu)。 它在初級側(cè)和次級側(cè)均包含一個諧振電感器和一個諧振電容器。該電路和其他在初級側(cè)和次級側(cè)都包含全橋的電路的一個共同優(yōu)點在于，其控制原理是相同的。此外，與之前的 LLC 轉(zhuǎn)換器一樣，CLLC 可在整個負載范圍內(nèi)實現(xiàn)軟開關(guān)特性。不過，CLLC 優(yōu)于 LLC 拓撲的一個原因是對稱諧振回路。LLC 拓撲具有非對稱諧振回路，導(dǎo)致反向操作與正向操作不同。具有對稱諧振回路的 CLLC 解決了這一問題，因此更容易實現(xiàn)雙向充電。

圖10.雙向CLLC轉(zhuǎn)換器

總結(jié)

電池儲能系統(tǒng)持續(xù)演進，并伴隨可再生能源發(fā)電技術(shù)得到更廣泛的應(yīng)用，這催生了對更高效、更可靠功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的需求。本文探討了現(xiàn)代功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的重要特征以及實現(xiàn)這些特征的一些常見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的基于PLECS的Elite Power仿真工具進行仿真，以更深入地了解器件級和系統(tǒng)級效率。欲了解更多信息，請訪問onsemi.cn獲取業(yè)界領(lǐng)先的設(shè)計資源和能源基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用創(chuàng)新技術(shù)的最新動態(tài)。

（作者：安森美）