近年來, 太陽能等可再生能源的應用顯著增長。推動這一發展的因素包括政府的激勵措施、技術進步以及系統成本降低。雖然光伏(PV)系統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,太陽能並不產生能源。清晨,當人們和企業開始一天的工作時,對電網的需求會上升;晚上,當人們回到家中時,對電網的需求也會上升。然而,太陽能發電是在太陽升起後逐漸攀升的,但在需求量大的時段,如傍晚太陽落山後,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集成, 以儲存能源供後續使用。 與太陽能光伏發電配套的儲能系統通常採用電池儲能系統(BESS)。關於BESS的進步,如更優質、更廉價的電池已顯而易見,但較少提及的是更高效功率轉換方法的應用。在深入探討現代功率轉換拓撲結構之前,應該先討論一些重要的設計考慮因素。 隔離與非隔離型 隔離型功率轉換拓撲在DC-DC階段通過使用變壓器來實現初級側與次級側的電磁隔離。因此,初級側與次級側各自擁有獨立的地線,而非共用接地。由於增加了變壓器,隔離型拓撲成本更高、體積更大且效率略低,在併網應用中,出於安全考慮, 電流隔離至關重要。 雙向功率轉換 雙向拓撲結構減少了連接低壓 BESS 至相應高壓直流母線所需的功率轉換模塊數量。安森美(onsemi)的 25 kW快速直流電動汽車充電樁參考設計就是利用兩個雙向功率轉換模塊的一個例子。該雙向轉換器與電網連接,為電動汽車的直流電池充電。AC-DC轉換階段採用三相 6組(6-pack) 升壓有源前端,而DC-DC階段採用雙有源橋 (DAB) 拓撲。DC-DC雙有源橋是較為流行的拓撲結構之一,稍後將對其進行討論。 ![]() 寬禁帶技術 如碳化矽(SiC) 等寬禁帶技術進一步提高了功率轉換系統的效率。由於這些器件的固有特性,它們相比傳統的矽基MOSFET具有許多優勢。其中一些重要因素包括:
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衝電路來抑制變壓器的漏電流。由於結構和調製方案簡單,這些轉換器的成本較低,但與一些更先進的拓撲結構相比,損耗和電磁干擾(EMI)往往較高。 ![]() 對稱升壓-降壓 與此相反,像對稱降壓-升壓轉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,且還具有降低開關損耗、減小電磁干擾(EMI)以及更小的磁性元件體積等額外優勢。其缺點主要源於對更多開關和更複雜控制算法的要求。 ![]() 因此,這種拓撲結構的優點包括使用較低電壓、 具有更高性能開關、無源元件尺寸較小以及減少了電磁干擾。這種電路拓撲結構的缺點是必須配備啟動電路,將飛跨電容的電壓調節到母線電壓的一半, 從而充分利用低電壓開關的優勢。 ![]() 此拓撲的一些優點包括:每個開關上的電壓應力限於母線電壓、 兩側所有開關上的電流應力大致相等,以及無需額外元件(如諧振電路)即可實現軟開關。一些缺點則是由於高電流紋波,濾波電路至關重要,且在輕載條件下轉換器的軟開關能力可能會失效。 ![]() ![]() CLLC諧振轉換器 ![]() 電池儲能系統持續演進,並伴隨可再生能源發電技術得到更廣泛的應用,這催生了對更高效、更可靠功率轉換系統的需求。本文探討了現代功率轉換系統的重要特徵以及實現這些特徵的一些常見DC-DC電路拓撲。 |