【導(dǎo)讀】現(xiàn)在可供設(shè)計(jì)人員使用的模塊化組件提供了兩個(gè)關(guān)鍵屬性：它們可用作有效且高效的“直流變壓器” - 也就是說(shuō)，它們提供固定比率的直流-直流轉(zhuǎn)換：并且它們本質(zhì)上是雙向的。關(guān)于如何實(shí)現(xiàn)雙向操作的詳細(xì)描述超出了本文的范圍；但是，通過(guò)查看作為支持技術(shù)的正弦振幅轉(zhuǎn)換器的主要元件，可以獲得“粗略”的理解。
SAC：對(duì)稱(chēng)轉(zhuǎn)換器
現(xiàn)在可供設(shè)計(jì)人員使用的模塊化組件提供了兩個(gè)關(guān)鍵屬性：它們可用作有效且高效的“直流變壓器” - 也就是說(shuō)，它們提供固定比率的直流-直流轉(zhuǎn)換：并且它們本質(zhì)上是雙向的。關(guān)于如何實(shí)現(xiàn)雙向操作的詳細(xì)描述超出了本文的范圍；但是，通過(guò)查看作為支持技術(shù)的正弦振幅轉(zhuǎn)換器的主要元件，可以獲得“粗略”的理解。由于我們已經(jīng)放棄了從左到右的思維，因此從中心開(kāi)始，那里有一個(gè)變壓器，以及一個(gè)與變壓器的漏感保持諧振的串聯(lián)電容器。一側(cè)有一個(gè)開(kāi)關(guān)橋（通常）被視為對(duì)直流總線進(jìn)行斬波的輸入級(jí)，而另一側(cè)則有一個(gè)基本相同的布置，可稱(chēng)為同步整流器。只要這兩條路徑與中央“槽”中的諧振波形同步切換，整個(gè)裝置就是對(duì)稱(chēng)的，并且完全充當(dāng)直流變壓器；電壓根據(jù)磁性元件的匝數(shù)比升高，電流降低，反之亦然。一個(gè)端口出現(xiàn)的阻抗變化會(huì)在另一端口反映出來(lái)（如預(yù)期，通過(guò)匝數(shù)比的平方），并且功率將相應(yīng)地流動(dòng)。諧振、零電壓和零電流開(kāi)關(guān)可確保低損耗：諧振回路中存儲(chǔ)的能量少，可通過(guò)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生良好的瞬態(tài)響應(yīng)：MHz 開(kāi)關(guān)意味著小而輕的電感器和電容器。
圖 1：正弦幅度轉(zhuǎn)換器
盡管SAC拓?fù)浔举|(zhì)上是雙向的，但有兩個(gè)功率組件系列對(duì)于雙向應(yīng)用特別有用。一種是總線轉(zhuǎn)換器模塊（BCM），它在兩個(gè)電壓軌之間提供隔離的固定比率轉(zhuǎn)換。另一個(gè)是非隔離版本（稱(chēng)為 NBM），其他方面類(lèi)似。后一部分在雙向設(shè)置中使用起來(lái)稍微容易一些，因?yàn)樗鼘⑼ㄟ^(guò)施加到任一端口的電源來(lái)“啟動(dòng)”（建立并穩(wěn)定諧振切換）。如果需要隔離，則使用 BCM 需要少量的附加電路來(lái)提供偏置，以通過(guò)施加到“次級(jí)”的電源來(lái)啟動(dòng)它。
雙向用例
高效的雙向功率轉(zhuǎn)換可應(yīng)用于一系列不同的場(chǎng)景，這些場(chǎng)景可分為多個(gè)通用部分，如圖 2 所示。轉(zhuǎn)換器（隔離或非隔離）可以在其正向運(yùn)行 - 通常是一個(gè)降壓，如 48 V 至 12 V：或相反，作為升壓。它可以在不同時(shí)刻向任一方向運(yùn)行；或者，在第四種情況下，雙單元可以充當(dāng)鏡像對(duì)；兩個(gè)相同的單元背對(duì)背連接。
圖 2：與 SAC 電源處理相關(guān)的四種模式
可再生能源正在刺激許多潛在應(yīng)用的發(fā)展。直到近，光伏板的默認(rèn)用途一直是作為并網(wǎng)陣列，通過(guò)逆變器將電力輸送回電力供應(yīng)設(shè)施，以抵消甚至逆轉(zhuǎn)流向（來(lái)自）財(cái)產(chǎn)或設(shè)施的電力。隔離（即未并網(wǎng)）太陽(yáng)能陣列為本地存儲(chǔ)供電以供本地“微電網(wǎng)”消耗的概念正在迅速普及。與此同時(shí)，建筑物范圍內(nèi)（甚至更廣泛）范圍內(nèi)的直流配電概念再次興起。此類(lèi)總線通常建議使用 380 V，作為高側(cè)電壓，目前 BCM/NBM 系列模塊可以適應(yīng)這一水平。
圖 3：基于帶有智能 100W USB C 連接器的 24Vdc 總線的子系統(tǒng)
圖 3 顯示了此類(lèi)安裝的一般情況，其中多個(gè)直流負(fù)載由一系列可再生能源供電，并使用電池組作為備用電源。備用電池和機(jī)電飛輪是需要雙向功率流的示例。只需從可用范圍中選擇適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換比模塊，即可適應(yīng)供電（或存儲(chǔ)）側(cè)的不同電壓軌。在這張圖的消費(fèi)者方面，LED 照明可能會(huì)在比主直流配電更低的電壓下運(yùn)行。再次，合適的降壓（“反向”）轉(zhuǎn)換器模塊可以負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)換。 Vicor 記錄的實(shí)驗(yàn)配置采用了這樣的結(jié)構(gòu)，通過(guò)使用智能 USB-C 連接器的 24V 總線實(shí)現(xiàn)逐個(gè)設(shè)備的配電，在規(guī)范中，該連接器能夠支持 100W。
圖 4：電池測(cè)試中的雙向直流
圖 4 中的框圖實(shí)際上顯示了與供電設(shè)備 (48V) 不同電位（例如 12V）的能量存儲(chǔ)的特殊情況。通過(guò)NBM模塊進(jìn)行5:1轉(zhuǎn)換；監(jiān)管始終偏高。電池電壓升高，然后調(diào)節(jié)至所需水平；或者對(duì)于充電，調(diào)節(jié)較高的總線電壓，以便 5:1 下變頻產(chǎn)生正確的充電電平。事實(shí)上，圖 4 描繪了電源實(shí)驗(yàn)室的一種新測(cè)試設(shè)備，它既可以為產(chǎn)品提供穩(wěn)壓測(cè)試電壓，又可以提供穩(wěn)壓負(fù)載，從而回收能量，以便僅提供一小部分用于測(cè)試的能量。網(wǎng)格。解決這個(gè)問(wèn)題的傳統(tǒng)方法是提供雙電源路徑；降壓（和調(diào)節(jié)）為電池充電，升壓以在主電源出現(xiàn)故障時(shí)將電源返回至 48 V 總線。除了電源轉(zhuǎn)換功能之外，這還需要一些具有安全鎖定功能的控制元件，以從一種狀態(tài)切換到另一種狀態(tài)。 使用雙向系統(tǒng)組件可以實(shí)現(xiàn)更簡(jiǎn)單、更緊湊的解決方案。然而，如上所述，調(diào)節(jié)目前在雙向模塊中不可用，因此需要一些電源路徑重新布線才能在兩個(gè)方向上使用單個(gè)調(diào)節(jié)器。
圖 2 中的第四種情況可以準(zhǔn)確類(lèi)比電力公用電網(wǎng)和超級(jí)電網(wǎng)實(shí)踐。在這種情況下，轉(zhuǎn)換器按升壓方向連接，以便在一定距離內(nèi)以更高的電壓傳輸電力，然后再連接一個(gè)相同的轉(zhuǎn)換器。單元連接到遠(yuǎn)端的降壓裝置。當(dāng)然，目標(biāo)是減少中間布線中的 I?R 損耗。正如公用事業(yè)公司將其交流電變換為數(shù)百 kV 進(jìn)行傳輸一樣，設(shè)計(jì)直流配電的工程師也可以使用直流變壓器來(lái)達(dá)到同一目的。雖然這利用了 NBM 模塊的可逆性，但這種情況下的功率流可能是雙向的，也可能不是雙向的。
采用這種策略的一個(gè)不尋常的是系留無(wú)人機(jī)或 UAV（無(wú)人駕駛飛行器）。并非所有無(wú)人機(jī)都需要自由飛行，但可能需要長(zhǎng)時(shí)間操作（例如進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘察或建筑攝影）。可以通過(guò)臍帶纜或系繩向此類(lèi)機(jī)器供電。顯然，希望車(chē)載電池節(jié)省的重量不應(yīng)被電纜的重量所抵消——因此，需要采用薄規(guī)格的電源饋送。 Vicor 建模的研究使用 50 V 板載電機(jī)電源，但使用 8:1 轉(zhuǎn)換器將其升壓至 400V，以便可以容忍具有 2 Ω 環(huán)路電阻的細(xì)線。
汽車(chē)電氣化
快速發(fā)展的電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力領(lǐng)域似乎將提供更多應(yīng)用，在這些應(yīng)用中，不同直流母線之間的雙向功率流將被證明是有用的。低電平（12 V 和 48 V）的雙電壓車(chē)輛架構(gòu)需要一系列總線互連以及電池和單元之間的功率流，具體取決于它們是輕度混合動(dòng)力、中度混合動(dòng)力還是全混合動(dòng)力集成啟動(dòng)器/發(fā)電機(jī)。 全電動(dòng)汽車(chē)的數(shù)百伏牽引電源軌只會(huì)進(jìn)一步增加復(fù)雜性，并將該技術(shù)帶入再生制動(dòng)和能量回收領(lǐng)域。
所有這些都可以使用 Vicor 的在線 PowerBench 白板工具進(jìn)行建模。它具有可供使用的 NBM 轉(zhuǎn)換器模塊的全面“黑匣子”行為模型。可以快速輸入實(shí)際應(yīng)用的參數(shù)，并且該軟件已為正向或反向轉(zhuǎn)換器操作做好充分準(zhǔn)備。可以立即準(zhǔn)確預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)換器內(nèi)和的實(shí)際電壓、電流和損耗。支持模塊的并行連接，并且在雙向情況下同樣有效。使用具有雙向功能的模塊可以實(shí)現(xiàn) 200 W 至 20 kW 的功率處理，額定電壓可達(dá) 400 V 以上。
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