為了提高效率-如何將雙向功率流集成到UPS設(shè)計(jì)中（第2部分）

在本系列的第1部分，我討論了如何將雙向功率流集成到您的不間斷電源（UPS）設(shè)計(jì)中。在第二部分中，我將更仔細(xì)地研究2kW，48V至400V，效率>93%，隔離雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器UPS參考設(shè)計(jì)以及備用電池應(yīng)用

正如我在第1部分中所解釋的，這個(gè)參考設(shè)計(jì)在電池充電時(shí)作為電壓饋電的全橋DC/DC變換器工作，在備用模式下作為有源鉗位電流饋電的全橋變換器工作。在備份模式下實(shí)現(xiàn)高效率是非常重要的，因?yàn)樽畲蠊β蕚鬏敚?kW）發(fā)生在這種模式下。讓我們看看有源箝位電流饋電轉(zhuǎn)換器是如何工作的。

在備用模式下工作時(shí)，系統(tǒng)從電池獲取電力，電池電壓從36V到60V不等，并將其提升至一個(gè)幾乎恒定的380V直流母線。實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的一種方法是boost變換器使用電流饋電的變換器拓?fù)洹?/p>

電流型轉(zhuǎn)換器非常適合在輸入或輸出電壓需要在很大范圍內(nèi)變化的情況下工作。它們易于控制，具有防止變壓器飽和的固有保護(hù)，并且易于并聯(lián)。但是傳統(tǒng)上，電流型變換器的缺點(diǎn)是金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）在關(guān)斷時(shí)會(huì)經(jīng)歷高電壓尖峰。為了緩解這一缺點(diǎn)，必須使用有損無(wú)源緩沖器和具有更高額定電壓的mosfet。例如，最大工作輸入電壓為60V的系統(tǒng)需要150V或200V的MOSFET。這種高電壓要求導(dǎo)致效率降低，因?yàn)檫@些MOSFET沒(méi)有針對(duì)漏源導(dǎo)通電阻（RDS（開(kāi)）)門電荷（Qg）

通過(guò)在低壓電流饋電全橋中增加一個(gè)有源箝位電路，參考設(shè)計(jì)將高關(guān)斷電壓峰值降低到輸入電壓以上15V以下，而無(wú)需額外的無(wú)源緩沖器。啟動(dòng)期間的低壓MOSFET vds如下圖1所示。

圖1：低壓MOSFET Vds與啟動(dòng)時(shí)的電感電流

通過(guò)控制有源箝位電路的工作，可以利用漏感儲(chǔ)能實(shí)現(xiàn)低壓MOSFET的零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS）導(dǎo)通。這進(jìn)一步提高了系統(tǒng)在備份模式下的效率。

圖2顯示了低壓MOSFET的ZVS開(kāi)啟。在有源箝位MOSFET關(guān)閉之前，ZVS的范圍取決于漏感的值和流過(guò)箝位電路的電流。

電流型變換器有一個(gè)固有的優(yōu)點(diǎn)，它可以保證MOSFET的零電流開(kāi)關(guān)（ZCS）開(kāi)啟。這是因?yàn)殡娏餍娃D(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)周期重疊。例如，在MOSFET對(duì)Q1、Q3打開(kāi)之前，MOSFET對(duì)Q2、Q4已經(jīng)打開(kāi)。這樣可以確保當(dāng)Q1和Q3接通時(shí)，通過(guò)它們的電流為零。在參考設(shè)計(jì)中，低壓mosfet通常在ZVS或ZCS中導(dǎo)通。見(jiàn)圖2和圖3。

圖2：低壓MOSFET在零電壓開(kāi)關(guān)下導(dǎo)通

圖3：低壓MOSFET在ZCS處的導(dǎo)通

有源鉗位電流饋電全橋的工作原理和初級(jí)（低壓側(cè)）的臨界波形如下圖4所示。標(biāo)有紅色箭頭的區(qū)域表示當(dāng)MOSFET對(duì)Q1、Q3關(guān)閉時(shí)，電流轉(zhuǎn)移到有源鉗位。這導(dǎo)致MOSFET上的電壓尖峰降低。標(biāo)有綠色的區(qū)域顯示ZVS開(kāi)啟操作。

圖4：有源箝位電流型全橋變換器波形重構(gòu)

電流型變換器保證了高壓全橋mosfet在后備模式下作為同步整流器工作時(shí)的ZVS導(dǎo)通和關(guān)斷。由于這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與重疊開(kāi)關(guān)一起工作-所有一次低壓全橋開(kāi)關(guān)在短時(shí)間內(nèi)同時(shí)打開(kāi)-關(guān)閉時(shí)二次側(cè)高壓MOSFET上的di/dt很小，從而確保二次側(cè)MOSFET上的反向恢復(fù)損耗降低。

總的來(lái)說(shuō)，使用基于有源箝位電流饋電變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在隔離雙向變換器應(yīng)用中顯示出顯著的優(yōu)勢(shì)。電流饋電電感的存在平滑了開(kāi)關(guān)電流，因此降低了輸入和輸出電容器的紋波電流處理要求。在軟開(kāi)關(guān)能力和易于控制方面，它帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)使其成為UPS、電池備用裝置應(yīng)用的一個(gè)值得選擇的選擇。