為提高效率――如何將雙向功率流集成到UPS設計中

隨著對更緊湊和更高效電力系統的日益重視，雙向轉換器越來越受到關注。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上所需的兩個DC/DC換流器組合在一起，降低了整個系統的成本、組件數量和尺寸。

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裝置應用中雙向換流器的使用。

UPS或電池備份單元可在各種關鍵和非關鍵應用中提供不間斷電源。UPS系統可從傳統意義上分為備用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所示為傳統在線式UPS的框圖。

圖1：常規在線式UPS的框圖

在正常運行中，主直流母線通過交流網格源調節在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升壓轉換器用于在斷電期間將電池的電力從電池傳輸到DC-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計是一種數字控制的2kW隔離雙向DC/DC換流器，設計用于在300V至400VDC總線和48V電池組之間傳輸功率。參考設計在高壓側具有全橋功率級，而在低壓側具有電流饋電全橋級。存在直流母線(正常條件)的情況下，設計以降壓模式運行，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，該設計作為電流饋電全橋轉換器運行，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，使用電流饋電全橋級在放電模式下實現高效率，其優化隔離變壓器的設計，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的高開關頻率下工作，該參考設計的功率水平為2kW，尺寸為185mm×170mm。

圖4：備份模式下的系統效率(升壓模式)

從充電模式到備用模式的轉換或隨時間的變化對于確保負載供電的連續性至關重要。參考設計的轉換時間小于100μs，從而減少了系統在轉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應用的2KW、隔離DC-DC雙向參考設計的工作細節。