1、大功率雙向交直流電源主要應(yīng)用

在混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(HEV)或電動(dòng)汽車(EV)中，車內(nèi)將有車載充電器為汽車蓄電池充電。充電電源從電網(wǎng)流向車輛，也稱為G2V。

在一些新的HEV或EV設(shè)計(jì)中，要求車輛允許從電池回流到電網(wǎng)(也稱為V2G)，或在孤島狀態(tài)下向交流設(shè)備供電，具有V2G要求的HEV或EV需要大功率雙向AC-DC電源作為其車載充電器。

2、大功率雙向AC-DC電源使用案例

包括不間斷電源、UPS和儲(chǔ)能系統(tǒng)ESS。在UPS和ESS中，電池安裝在系統(tǒng)中。當(dāng)一次能源存在時(shí)，蓄電池充電。當(dāng)一次能源不存在時(shí)，電池的能量用于向負(fù)載提供能量。

UPS和ESS中的雙向交直流電源通常需要一個(gè)功率為幾千瓦的電源。值得注意的是，當(dāng)一次能源不存在時(shí)，UPS和ESS需要快速能量流轉(zhuǎn)換，而今天的HEV和EV車載充電器不需要快速能量流轉(zhuǎn)換。

讓我們以車載充電器為例，展示如何構(gòu)建大功率雙向AC-DC系統(tǒng)。車載充電器電源級(jí)由兩部分組成——交流-直流非隔離整流器和隔離直流-直流轉(zhuǎn)換器。這種兩階段方法優(yōu)化了整個(gè)系統(tǒng)的效率、功率密度，還提供了簡(jiǎn)單的接地故障保護(hù)方案，以及高等級(jí)的抗干擾性。

AC/DC整流器的輸出電壓可以改變以跟蹤蓄電池電壓。這允許隔離的DC-DC轉(zhuǎn)換器在最佳效率點(diǎn)附近運(yùn)行。由于可變電壓和需要在兩個(gè)方向上控制功率流，因此需要數(shù)字控制方案。

3、這種設(shè)計(jì)所需的拓?fù)涫侨绾蔚哪?

對(duì)于交直流整流階段，我將重點(diǎn)介紹單相交流輸入的選項(xiàng)。

由于雙向AC-DC電源旨在傳輸高功率，我們需要確保AC-DC整流階段的功率因數(shù)較高，以最大限度地降低無(wú)功功率。此外，我們還需要產(chǎn)生高輸出電壓，以最大限度地減少交流-直流整流器和隔離直流-直流轉(zhuǎn)換器的傳導(dǎo)損耗。因此，需要一種具有有源功率因數(shù)校正的升壓型雙向交直流整流器。

有三種常用的交直流整流器符合這些選擇標(biāo)準(zhǔn)。它們是圖騰桿無(wú)橋PFC和帶雙向開(kāi)關(guān)的無(wú)橋PFC。在這些配置中，傳統(tǒng)的二極管需要被允許雙向電流流動(dòng)的開(kāi)關(guān)(如MOSFET)所取代。

雖然無(wú)橋PFC配置看起來(lái)很復(fù)雜，但它們可以簡(jiǎn)化為交流輸入正弦波的每一側(cè)。對(duì)于正循環(huán)，如果能量從VAC傳輸?shù)絍BUS，則電路可以用簡(jiǎn)單的升壓轉(zhuǎn)換器表示。類似地，如果能量以逆變器模式從VBU移動(dòng)到VAC，則電路的行為類似于buck變換器。

如果我們現(xiàn)在考慮交流輸入的負(fù)半周期，我們也可以使用簡(jiǎn)化配置。在整流器模式下，當(dāng)能量從VAC流向VBU時(shí)，類似于公共電源升壓。當(dāng)電路像逆變器一樣工作時(shí)，它又類似于降壓變換器。

雙向隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器有許多拓?fù)溥x擇，包括但不限于雙反激、雙Cuk、正向反激和雙有源橋。然而，由于變壓器或耦合電感器中的損耗以及尺寸的原因，大多數(shù)轉(zhuǎn)換器的功率水平受到限制。

在大功率應(yīng)用中，我們必須避免需要緩沖電路來(lái)耗散泄漏能量的電路。此外，為了保持高效率，軟開(kāi)關(guān)是必須的。雙有源橋式轉(zhuǎn)換器(DAB)是唯一一種能夠滿足這兩種要求的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

雙有源橋式變換器可分為兩類——相移DAB和諧振DAB，如右圖所示?，F(xiàn)在讓我們進(jìn)一步討論每個(gè)配置的操作。

移相雙有源電橋通過(guò)在變壓器上施加一次和二次電橋各占空比為50%的電壓來(lái)運(yùn)行，能量流通過(guò)改變初級(jí)和次級(jí)之間的相位差來(lái)控制。

與相移雙有源電橋不同，諧振雙有源電橋在可變開(kāi)關(guān)頻率下工作。輸入全橋產(chǎn)生一個(gè)方波，饋入諧振腔。通過(guò)改變開(kāi)關(guān)頻率，諧振腔將具有不同的增益，從而改變諧振腔電路的輸出電壓。

諧振雙有源電橋，它是一種CLLLC，即三個(gè)Ls串聯(lián)諧振雙有源電橋。在諧振雙有源電橋中，也可能存在不同的諧振腔，導(dǎo)致不同的響應(yīng)。重要的是確保諧振雙有源電橋在增益曲線具有負(fù)斜率的點(diǎn)運(yùn)行，因?yàn)樨?fù)斜率電壓增益曲線確保電感輸入阻抗。這是輸入開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)的必要條件。

CLLLC是一種串聯(lián)諧振變換器，依靠存儲(chǔ)在變壓器磁化電感L sub M中的能量實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)。理想情況下，死區(qū)時(shí)間內(nèi)流過(guò)L sub M的最小電流與負(fù)載條件無(wú)關(guān)。因此，串聯(lián)諧振DAB可以在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)，而不會(huì)像移相雙有源電橋那樣犧牲效率。

對(duì)于諧振變換器，它需要在較窄的輸入輸出比下工作，以保持最高的效率。因此，對(duì)于充電器應(yīng)用，輸入電壓需要隨著電池電壓的變化而變化，以保持高效率。

如果我們看一下控制方面，包括同步整流中的主變流器，相移對(duì)于單φ控制來(lái)說(shuō)非常簡(jiǎn)單。諧振變換器主控簡(jiǎn)單，但需要復(fù)雜的同步整流器控制(SR)。

另一個(gè)主要的權(quán)衡，實(shí)際上取決于應(yīng)用程序，是瞬態(tài)響應(yīng)，因?yàn)槲覀兊哪繕?biāo)是充電器應(yīng)用，所以瞬態(tài)不太重要。但如果因?yàn)榭刂品椒ǖ脑蚨痍P(guān)注，相移將有更快的響應(yīng)。