[经验] 为提高效率——如何将双向功率流集成到UPS设计中（第一部分）

okhxyyo 2017-8-29 11:02 楼主

随着对更紧凑和更高效电力系统的日益重视，双向转换器越来越受到关注。具有双向功率流的双向DC/DC换流器可将电池充电和备份操作传统上所需的两个DC/DC换流器组合在一起，降低了整个系统的成本、组件数量和尺寸。
此系列博文将分两个部分研究在不间断电源（UPS）、电池备份单元和储能系统装置应用中双向换流器的使用。
UPS或电池备份单元可在各种关键和非关键应用中提供不间断电源。UPS系统可从传统意义上分为备用UPS、线路交互式UPS和在线式或双换流UPS。在新类别的UPS开发方面，如备用在线式混合动力或高级ECO模式UPS，获得的进展甚少。
图1所示为传统在线式UPS的框图。

图1：常规在线式UPS的框图

在正常运行中，主直流母线通过交流网格源调节在300V至400V之间。电池作为储能单元，可以使用专用的AC/DC或DC/DC换流器通过AC电源或DC总线进行充电。另一台DC/DC升压转换器用于在断电期间将电池的电力从电池传输到DC-Bus（备用操作）。图2所示为具有双向换流器的在线式UPS的框图。

图2：具有双向DC-DC换流器的在线式UPS框图

高效小型双向参考设计是一种数字控制的2kW隔离双向DC/DC换流器，设计用于在300V至400VDC总线和48V电池组之间传输功率。参考设计在高压侧具有全桥功率级，而在低压侧具有电流馈电全桥级。存在直流母线（正常条件）的情况下，设计以降压模式运行，并以恒定电流对电池充电，直至电池电压处于限制值。在断电期间，该设计作为电流馈电全桥转换器运行，将48V电池（36V至60V输入）的功率提升至380VDC总线，支持备份载入。

图3：隔离双向DC-DC换流器的框图

参考设计在降压模式（作为充电器）下的峰值效率为94%，在升压模式（放电期间）为95%，平均效率高于93%。这种高放电效率为电池提供更长的运行时间。在36V至60V的宽输入电压范围内，使用电流馈电全桥级在放电模式下实现高效率，其优化隔离变压器的设计，以绕组中的最小化均方根（RMS）电流，同时最小化通过输入电容器的纹波电流。
在100kHz的高开关频率下工作，该参考设计的功率水平为2kW，尺寸为185mm×170mm。