用於電池儲能系統的 DC-DC 功率轉換拓撲結構

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。

硬開關與軟開關

傳統的功率轉換器採用硬開關控制方案。硬開關的問題在於，當電晶體從導通狀態切換到關斷狀態時（反之亦然） ，漏極至源極電壓（VDS）會降低，而漏極電流（ID）會增加。兩者存在重疊， 這種重疊會產生功率損耗，稱為導通損耗和關斷開關損耗。軟開關是一種用於限制開關損耗的控制方案，其方法是延遲 ID 斜坡到 VDS 接近於零時導通；延遲 VDS 斜坡到 ID 接近於零時關斷。這種延遲被稱為死區時間，電流/電壓斜坡分別被稱為零電壓（ZVS） 和零電流開關（ZCS） 。軟開關可通過諧振開關拓撲（如 LLC 和 CLLC 轉換器）實現，以大幅降低開關損耗。

兩電平與三電平拓撲（單相與雙相）

三電平轉換器拓撲結構比兩電平拓撲結構更具優勢，原因有以下幾點。首先，三電平拓撲結構的開關損耗低於兩電平拓撲結構。開關損耗與施加在開關上的電壓平方（V2）成正比，在三電平拓撲結構中， 只有一半的總輸出電壓被（部分）開關所承受。其他優勢來自於更低的電流紋波和 EMI。同樣，只有一半的總輸出電壓被施加到升壓電感器上，從而降低了電流紋波，使其更易於濾波。EMI 與電流紋波直接相關，降低電流紋波也就降低了 EMI。由於峰值-峰值開關電壓降低， dV/dt 和 dI/dt 也隨之降低，從而進一步減少了 EMI。

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：

• 由於擊穿電場和禁帶能量更高， 器件的擊穿電壓更高；

• 熱傳導率更高，從而降低了冷卻要求；

• 導通電阻更低，從而改善了導通損耗；

• 電子飽和速度更高，從而實現了更快的開關速度。

同步降壓、同步升壓以及反激式轉換器

同步轉換器源自經典的降壓和升壓轉換器。之所以稱為同步轉換器，是因為它用一個額外的有源開關取代了二極體。反激式轉換器與同步轉換器類似， 不同之處在於通過用耦合電感器（也稱為 1:1 變壓器）取代電感器，增加了隔離功能。
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。