Большинство устройств для преобразования энергии включают не стабилизированный источник питания, энергия которого преобразуется и стабилизируется (отсутствуют колебания уровня сигнала). Часто такие преобразователи имеют гальваническую развязку. Простым примером может послужить преобразование мощности переменного тока в низковольтное постоянное напряжение в адаптере ноутбука или питание от аккумулятора в портативном оборудовании, напряжение с которого часто повышается до стабилизированного, более высокого значения. Это односторонние преобразования, но с ростом интереса к схемам альтернативной энергии и электромобилям, существует потребность в двунаправленной передачи энергии, чтобы иметь возможность не только тратить энергию на разгон автомобиля, но и накапливать ее при его торможении.
В качестве примера можно привести фотоэлектрическую установку, в которой питание солнечной панели постоянного тока может быть «подано» обратно в сеть переменного тока, когда аккумуляторные батареи полностью заряжены, а переменный ток, в свою очередь, обеспечивает заряд батарей ночью через двунаправленный преобразователь / инвертор. Другая ситуация возникает в электромобилях, где двунаправленный преобразователь постоянного тока понижает напряжение основной тяговой батареи 400 В до 12 В для вспомогательного оборудования. Постоянный ток изменяет расход электроэнергии с 12 до 400 В в аварийных условиях, когда заряд тягового аккумулятора опасно низок (рисунок ниже)
Когда происходит обмен энергией между 12 В и 400 В батареями, режим заряда должен учитывать свойства свинцово-кислотных элементов на 12 В, требующих контролируемого тока до их полностью заряженного состояния и небольшого тока после заряда. В отличие от этого, 400-вольтовая литий-ионная батарея нуждается в очень тщательно контролируемом постоянном напряжении. Поэтому алгоритмы управления преобразователем должны адаптироваться к направлению потока энергии. Одно из рассматриваемых предложений состоит в том, чтобы возвращать заряд тягового аккумулятора в сеть через другой двунаправленный преобразователь или инвертор в домашней зарядной станции, обеспечивающей распределенное хранение энергии в сети.
Реализация двунаправленного преобразователя
Чтобы быть эффективным, процесс накопления энергии должен нести минимальные потери, поэтому преобразователи энергии должны использовать максимально эффективные методы преобразования, что означает дополнительную сложность таких систем. Создание двунаправленного преобразователя может показаться более сложным, поэтому некоторые конструкции представляют собой просто два отдельных преобразователя в «антипараллельном» режиме с возможностью возбуждения одного или другого. Это может быть «более простая» конструкция, но он имеет небольшой минус — в два раза больше количества компонентов с последующим увеличением стоимости.
Гораздо более «изысканный» и экономически эффективный подход заключается в настройке одних и тех же компонентов питания для работы в обоих направлениях, что не так сложно, как может показаться. Рассмотрим случай тяги на 400 В и вспомогательной батареи на 12 В, двунаправленный, изолированный обмен энергией. От 400 В до 12 В предпочтительной топологией силовой ступени является полный мост, который ограничивает напряжение переключения и эффективно использует изолирующий трансформатор. Выход представляет собой двухфазный выпрямитель, который предпочтителен для минимального напряжения и количества компонентов, с контуром, изображенным на рисунке а) ниже:
Может быть не совсем очевидно, как 12-вольтовое напряжение можно преобразовать в 400 В «и наоборот», но посмотрите на рисунок б). В данном случае 12-вольтовые выходные диоды заменяются синхронными выпрямителями, а ключи Q1-4 могут быть установлены в положение ВЫКЛ. Оставляя в цепи только диоды D1-4. При взгляде справа налево возникает знакомая схема — двухтактный силовой каскад с питанием по току и выходным выпрямителем с полным мостом. Ни один из силовых компонентов не изменяет свое состояние; они управляются по-разному, чтобы установить направление потока энергии. Q1-4 также можно активно переключаться в качестве синхронных выпрямителей для повышения эффективности, хотя при 400 В ток и ниже, но в этом нет необходимости.
Управление силовыми транзисторами является ключом к двунаправленной функциональности благодаря наличию специальных микросхем. Интегральная микросхема управления часто расположена на стороне низкого напряжения, так как она может получать питание от 12-вольтовой аккумуляторной батареи без дополнительного преобразования. Если сторона высокого напряжения является топологией полного моста со сдвигом фаз (PSFB), контроллер может легко передавать сигналы управления затвором через гальваническую развязку используя простые трансформаторы. Поскольку сигналы всегда имеют фиксированную ширину импульса, просто сдвинуты по фазе относительно друг друга для обеспечения нужного периода открытия транзисторов, у трансформаторов не возникает проблем с насыщением.
Аналогичное действие может быть выполнено с преобразователем переменного тока в постоянный (мостовой выпрямитель), сконфигурированный как «части инвертора» для обратного потока энергии. Современная методика заключается в использовании «выпрямителя с тотемным полюсом» и ступени коррекции коэффициента мощности (PFC), которая прекрасно подходит для альтернативной конфигурации в качестве инвертора (рисунок ниже).
Широкополосные устройства в преобразовании энергии
Полупроводники широкополосных преобразователей, состоящие из карбида кремния (SiC) и нитрида галлия (GaN) в настоящее время широко используются в качестве замены для кремниевых типов полупроводниковых элементов (Si). Как и силовые ключи, они имеют более низкое сопротивление, более высокие граничные скорости переключения и более высокую рабочую температуру, чем кремний. Дискретные диоды SiC не имеют заряда обратного восстановления и доступны с номинальным напряжением. SiC-переключатели надежны с высокой лавинной энергией и превосходным номинальным током короткого замыкания, а также имеют очень быстрый диод. Доступны SiC MOSFET, а также JFET и кодеки — «нормально выключенная» комбинация Si-MOSFET и JFET с характеристиками переключения, близкими к идеальным (рисунок ниже).
Хотя широкополосные устройства находят применение во многих приложениях для преобразования энергии, они особенно подходят для двунаправленных преобразователей, где важны эффективность и размер. Быстрые переключающие фронты приводят к низким потерям переключения при работе на высоких частотах, что, в свою очередь, позволяет использовать гораздо меньшие связанные пассивные компоненты, в частности, магниты.
Если Q1-4 транзисторы на рисунке b) реализованы синхронные выпрямители, а установленные параллельно диоды защищают транзисторы от перенапряжений, что позволяет им работать с высокими напряжениями. Тем не менее, они будут иметь более высокие потери проводимости по сравнению с SiC. Высоковольтные MOSFET транзисторы также имеют плохие характеристики обратного восстановления диодов, что может привести к отказам устройства. Можно использовать SiC каскады, которые, хотя и рассчитаны на высокое напряжение, имеют эквивалентный диод параллельно корпусу низковольтного карбид кремниевого ключа с очень низким падением прямого напряжения и быстрым восстановлением, что позволяет работать с малыми потерями.
Часто в качестве силового каскада полный мост Q1-4 будет работать с управлением «фазовым сдвигом» в резонансном режиме (PSFB). В настоящее время это предпочтительный режим для достижения максимальной эффективности, превышающий несколько сотен ватт, и он обеспечивает переключение при нулевом напряжении (ZVS) при включении ключа (транзистора), когда внешняя индуктивность резонирует с емкостью трансформатора и выходной емкостью переключателя COSS. Устройства SiC, особенно каскадные, имеют очень низкое значение для COSS, что позволяет иметь относительно низкое значение внешней индуктивности для резонанса. Это помогает увеличить диапазон рабочего цикла и / или максимальную частоту переключения.
Оставьте комментарий