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RECOM 如何设计10kW的双向AC/DC转换器

供稿:RECOM Asia Pte. Ltd. 2020/11/16 14:34:24

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  • 关键词: 嵌入式 工业电源
  • 摘要:10kW双向功率(从AC到DC再回到AC)在技术上具有挑战性,但了解现有的拓扑和技术之后会让这项工作容易许多。任何项目的初期您都应该先问问自己 “需求有哪些?” 然后再问“我要如何做?”。

10kW双向功率(从AC到DC再回到AC)在技术上具有挑战性,但了解现有的拓扑和技术之后会让这项工作容易许多。任何项目的初期您都应该先问问自己 “需求有哪些?” 然后再问“我要如何做?”。有太多的项目都是从错误的方向开始的,认为做出来之后最终一定会有人买。尽管这个概念在1989年的电影《梦幻之地》中有用,但不幸的是在现实中并非如此。因此,让我们先从谁需要大功率双向AC/DC转换器开始,再了解最近的发展是否可以让这些设计更具商业价值,然后再做进一步的讨论。

双向功率的情况

如果查文献资料,双向电源的原型设计和评估板随处可见。那为什么突然对双向感兴趣?主要原因之一是电动汽车,更确切地说是因为电池组,一个再生能源的存储介质。

再生能源已成为许多国家的热门话题:它是美国增长最快的能源,2000年到2018年的增长率为100%。英国去年第一次达到零碳能源发电量高于燃料能源发电量,而距今不到十年之前的英国还有超过75%的电力来自化石燃料。Recom Power能源总部在奥地利,在欧洲绿色能源的最前沿,其中约72%的电力来自零碳源。但是并非每个国家都有长海岸线,让核电站可以藏在视线之外或设在当地白雪皑皑的高山和湖泊中。大多数国家必须依靠风能、太阳能或小规模的水力发电,而这些水力发电并非总是可靠的。夏季河水水位低,限制了水力生产的电力,而且电力需求的高峰通常在无风天或者晚上。

确保连续供电的解决方案之一是利用存储在电动汽车(EV)电池组中的电力来帮助平衡所谓的“车辆到电网(V2G)”系统中的供需 。在未来十年内,光是德国就有大约700万辆电动汽车,每辆的车载电池容量为20-100kWh。即使只剩20%的容量,仍然还有140GW可用,等同于100个核电站的容量。

成功的V2G系统的关键是结合双向能量传输和人工智能。大多数车辆的停车时间超过95%。如果车主在工作时为EV充电,EV可以决定是否在高峰时段继续充电还是将存储的一部分释放回电网,通过已知或预测的使用模式来调整充电状态。由于大多数的白天行程低于37公里,因此不一定每次行驶时或是在每次行驶之间都一定得充满电。但如果要做到充电和放电能回电网就需要双向充电器/主逆变器双向地传输电能。请注意,双向充电站本身不必是智能的,必要的处理能力已整合到电动汽车内置的AI系统中。

为满足2030年对电动汽车的潜在需求,需要数百万个双向AC/DC电源,下一步就是要询问制造这些电源是否有商业价值。近期有两个相对较新的进展,让双向电源的设计更简单也更便宜。第一个是引入了新的拓扑结构,特别适合双向电流;第二个是新技术例如碳化硅(SiC)大功率开关晶体的不断成熟,现在在价格上与历史悠久的绝缘栅双极晶体管(IGBT)具有一样的竞争力,但效率明显更好。

单向与双向AC/DC转换

单向AC/DC电池充电器已在市场上多年。通常采用以下配置再进行一些改进:

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图1:AC/DC电池充电器的总体配置

由市电供电的电池充电器本质上是AC-DC转换器(PFC级),接着DC-AC转换器(变压器驱动器级),然后是AC-DC转换器(整流器和输出滤波器级),最后是电池充电接口。根据电池电压和功率水平,变压器驱动器级可以使用单端、推挽、相移全桥或LLC拓扑,但是几乎每种电池充电器的应用中,输入的功率因数校正和电池接口都有反极性保护,使充电电压和电流充放电的曲线与电池充放电的化学曲线相匹配。

为了实现双向设计,可以在现有的原理图上并联逆变器级:

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图2:带有并联逆变器的双向AC/DC电池充电器配置

然而,这种增加双向的方式在使用现有器件的情况下效率低下,并且由于需要两个变压器而大幅增加了成本。如果市场需要成千上万的双向电源,那么每台设备的成本就成为非常重要的因素。 更好的解决方案是采用只需一个隔离变压器的双向拓扑。 

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图3:双向AC/DC电池充/放电配置

为了了解此类型产品的设计重点我们可以依次分析每个阶段,比较传统的单向拓扑和双向替代方案。双向电源是希望得到的结果,因此我们可以从尾端开始,因为它其实也是开端。

步骤1. 电池接口

每种不同类型的电池都有其独特的电池化学特性,所以需要不同的充电模式。例如,一个48V锂离子电池组应先以恒定电流充电,然后再以恒定电压充电直至饱和。之后要中断充电,因为锂离子电池组不能接受过充(涓流充电会在阳极镀上金属锂而损坏电池),但也不应过早停止充电,因为充满的时间点比恒定电流的关断点慢得多(图4)。

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图4:典型的锂离子充电曲线(来源:Batteryuniversity.com)

EV充电的情况下还得考虑用户和安全界面。大多数充电电缆包含数据总线,以在接通电源之前与EV进行必要的握手程序。另外,充电站通常有LCD来显示基本信息,例如充电状态、充电电压和电流、预估完成时间及费用。由于已经有了微处理器的接口,因此添加其他功能(例如反极性保护或自适应电池充电曲线)应该不会太困难,成本也不会太高。

电源变压器级

电源变压器是所有电源转换器的核心。如果电池电压与PFC总线电压相近(约400VDC),CLLC会是一个不错的功率级拓扑,因为它是常见的LCC谐振拓扑的双向版本。CLLC完全对称因此电流可以在任一方向上流动,而由于是谐振拓扑,所以在相近的输入和输出电压下效果最佳。但是如果电池电压较低(48V)或较高(800VDC),相移全桥(PSFB)在许多方面上都是更好的选择,而且成本也较低。以下示例采用48V锂离子电池组因此选择了PSFB拓扑。

该10kW原型设计使用了德州仪器(TI)的模拟控制器IC UCC28950。这似乎是一个令人惊讶的选择,因为数字控制器更为先进,但是使用标准的模拟器件有以下优点:

1.它是一个标准的器件,具有众所周知的性能和可靠性。

2.具有内置的ZVS和轻载管理功能,在整个负载范围内保持高效。

3.由控制器IC产生同步整流的时序,从而节省外部器件和成本。

4.内置保护,因此不需要监视输出的故障情况,微处理器就有空间来执行其他任务。

5.价格不贵。

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图5:具有混合模拟/数字反馈的移相全桥控制器。

充电模式的电源框图如图5所示。模拟反馈回路使用输出电压调节控制IC相移。另外,微控制器测量电池的充电电压和电流并修改模拟反馈回路调整到所需水平。因此它是一种混合数字控制的模拟反馈回路。这种配置提供模拟回路稳定性和失效安全的操作优势,同时兼具微处理器微调控制的多功能性和调节准确度。

为了将图5改成双向电路,微处理器需要接管“输出”侧的同步整流FET的控制,并使用大电流滤波器电感来形成一个电流馈电的推挽升压转换器。

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图6:电流馈电推挽升压转换器

在电流馈电拓扑中,流经变压器绕组的电流绝不能降为零,因此QA和QB需同时接通和交替断开。

电源电流IL受电感限制。在初级绕组上(现在为次级),将以等于匝数比的峰值电压生成阶跃输出。

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图7:电流馈电推挽波形

在先前的变压器初级侧,微控制器停用了PSFB控制器,初级侧晶体管未被驱动。然而SiC晶体管同时包含一个体二极管和一个续流二极管,所以变压器绕组产生的电压将经过无源全波整流,然后将输出存储在PFC电容里。额外的电压反馈回路能让微控制器调节反向电流。

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图8:反向电流过主变压器。

这种拓扑的最大优点是它的结构简单,所有主要器件同时用在正向和反向电流。与许多其他完全对称的双向设计相比大幅降低了成本,因为对称配置采用双有源桥(DAB),除了变压器以外每一侧还有四个开关晶体管和两个功率电感。

必须注意的是即使有外部二极管并联,初级侧开关晶体管也需要坚固的体二极管作为无源整流器。这种方式只能使用SiC或IGBT晶体管,因为Si-MOSFET的体二极管结构可能会因闩锁效应而失效。

功率因素校正级

超过75W功率的单相市电电源需要功率因数校正。最简单的有源拓扑使用升压转换器将整流后的市电输入提高至超过峰值输入电压,让进入PFC电容的电流成为连续电流并与正弦输入电压同步,以使功率因数接近于1:

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图9:主动功率因数校正(单向)

该电路有两个主要问题:D1-D5显示该电路是单向的,二极管桥和升压转换器中的损耗可能很大。但是对FBPS和许多谐振功率级来说相对稳定的直流总线电压是先决条件,因为它们无法适应较宽的输入电压范围。

针对大功率设计,广泛采用的是图腾柱无桥PFC拓扑。图腾柱这个名字来自美洲印第安人,他们在树干上雕刻各种神灵和强大酋长的图像以抵御邪灵并为部落带来好运。由于这些雕刻图像在垂直的杆上堆叠,因此这个名称也适合形容框图里的垂直堆叠晶体管。在此设计中,与50/60Hz电源频率同步的输入由一组晶体管开关,而另一组在更高的频率(100kHz)开关以形成升压转换器。这种组合不需要整流二极管因此大大减少了相关的损耗。(10-27 review to here!)

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图10:图腾柱无桥PFC示例。

SiC晶体管的优点是具有低Qrr和强健的体二极管,因此非常适合作为高频开关晶体管Q1和Q2。低Qrr和RDS, on能让PFC级以连续导通模式(CCM)运行,从而降低THD并提升整体效率。CCM还简化了EMC滤波器,也是另一个成本优势。低频市电同步晶体管Q3和Q4可以使用Si-FET。图腾柱拓扑的另一个优点是可以双向运行。

图腾柱PFC拓扑进一步的发展是三相中性点钳位(NPC)式版本。许多三相电源不包括中性线,只有L1、L2、L3和地线。在维也纳整流器拓扑中添加一些转向二极管可以创造一个在DC总线电压中点的NPC。使用NPC意味着三相中的电流更加平衡,减少EMC滤波器件。

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图11:具有NPC的三相无桥PFC。

图11所示的解决方案足以满足许多大功率PFC应用的要求,但并不完美。NPC二极管可以用背对背晶体管代替,以较高的器件成本提高效率,但这仍不能消除PFC输出电容器结点处的三角波共模电压。

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图12:NPC的共模电压(以蓝色显示)

这种共模电压是无法避免的,而且会导致EMC滤波器中有额外的电流循环,同时降低有效性并增加总功耗。解决此问题的方法是使用一种称为“展开器”的技术,将反电流注入中性结点以抵消共模电压。该电流是由高压总线供电的独立降压转换器所提供的。

完整的双向无桥PFC设计需要一个复杂的控制器来准确地协调各种时序和同步要求。数字向量空间控制器是一个很好的解决方案:

 

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图13:向量空间模型和具有NPC的双向PFC。

最终双向解决方案的框图如下所示:

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图14:成本优化的高功率全双向AC/DC转换器示例

 

为了适合市场的实际应用,10kW的电池充放电电源应运而生。它并非用在EV充电站,而是作为电池调节系统的一部分(新制造的电池组需要充电、放电然后再充电以达到最大容量,然后将存储的能量循环回到市电以让整个过程变得更加经济),而基本的操作原理与本文中描述的相似。该原型在双向上的效率均超过96%,功率因数超过0.99。

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图15:10kW双向AC/DC电源

结论

在本文开头我们提出了“谁需要双向AC/DC转换器?”的问题,而答案是“很可能是我们数百万人”。在如此高的需求下,将会提出许多解决方案来解决此问题,因此本文只介绍了其中一种可能。但对于所有的大批量应用来说,除了可靠性和性能以外最主要的考虑因素还是单个电源的成本。许多双向拓扑都是完全对称的:输出是输入的镜像。这似乎很合理,但是,将非对称设计修改成双向工作,可以避免器件重复并减少整体BoM器件的数量,从而降低成本。

审核编辑(王静)
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