用于電池儲(chǔ)能系統(tǒng) (BESS) 的 DC-DC 功率轉(zhuǎn)換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

同步降壓、同步升壓以及反激式轉(zhuǎn)換器

同步轉(zhuǎn)換器源自經(jīng)典的降壓和升壓轉(zhuǎn)換器。之所以稱為同步轉(zhuǎn)換器，是因?yàn)樗靡粋€(gè)額外的有源開關(guān)取代了二極管。反激式轉(zhuǎn)換器與同步轉(zhuǎn)換器類似，不同之處在于通過(guò)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(gè)電壓箝位緩沖電路來(lái)抑制變壓器的漏電流。由于結(jié)構(gòu)和調(diào)制方案簡(jiǎn)單，這些轉(zhuǎn)換器的成本較低，但與一些更先進(jìn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，損耗和電磁干擾（EMI）往往較高。

對(duì)稱升壓-降壓

對(duì)稱降壓-升壓轉(zhuǎn)換器是一種應(yīng)用于高功率系統(tǒng)中的三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)例。如前所述，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的兩電平轉(zhuǎn)換器，開關(guān)上的電壓應(yīng)力來(lái)自于總母線電壓，而對(duì)于更高功率的系統(tǒng)，這一數(shù)值可能達(dá)到1000V或更高。這就需要在高功率系統(tǒng)中使用額定電壓為1200V及以上的晶體管。與此相反，像對(duì)稱降壓-升壓轉(zhuǎn)換器這樣的三電平拓?fù)鋬H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(guān)損耗、減小電磁干擾（EMI）以及更小的磁性元件體積等額外優(yōu)勢(shì)。其缺點(diǎn)主要源于對(duì)更多開關(guān)和更復(fù)雜控制算法的要求。

飛跨電容轉(zhuǎn)換器（FCC）

飛跨電容轉(zhuǎn)換器（FCC）是一種三電平轉(zhuǎn)換器，這種配置能夠?qū)崿F(xiàn)雙向功率流。它由四個(gè)開關(guān)、一個(gè)電感器和一個(gè)跨接在中間兩個(gè)開關(guān)的飛跨電容組成。由于這是一種三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，飛跨電容充當(dāng)了箝位電容（或恒壓源）的角色，該結(jié)構(gòu)還具有開關(guān)電壓應(yīng)力減半的優(yōu)點(diǎn)。因此，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)包括使用較低電壓、具有更高性能開關(guān)、無(wú)源元件尺寸較小以及減少了電磁干擾。 這種電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是必須配備啟動(dòng)電路，將飛跨電容的電壓調(diào)節(jié)到母線電壓的一半，從而充分利用低電壓開關(guān)的優(yōu)勢(shì)。

雙有源橋（DAB）

雙有源橋（DAB）是最常見(jiàn)的隔離型雙向拓?fù)渲弧Ｈ鐖D7所示，其在初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)均采用了全橋配置。每個(gè)橋通過(guò)移相控制，即控制相對(duì)于彼此相位偏移的方波，來(lái)控制功率流方向。此拓?fù)涞囊恍﹥?yōu)點(diǎn)包括：每個(gè)開關(guān)上的電壓應(yīng)力限于母線電壓、兩側(cè)所有開關(guān)上的電流應(yīng)力大致相等，以及無(wú)需額外元件（如諧振電路）即可實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。一些缺點(diǎn)則是由于高電流紋波，濾波電路至關(guān)重要，且在輕載條件下轉(zhuǎn)換器的軟開關(guān)能力可能會(huì)失效。

LLC諧振轉(zhuǎn)換器

LLC 轉(zhuǎn)換器是一種可利用軟開關(guān)技術(shù)的諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。下圖顯示了這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在初級(jí)側(cè)可以采用半橋或全橋配置。LLC 轉(zhuǎn)換器通常以單向模式運(yùn)行，但也可以通過(guò)將現(xiàn)有的二極管換成有源開關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)雙向運(yùn)行。該電路的諧振回路包括一個(gè)諧振電感器、一個(gè)諧振電容器和一個(gè)磁化電感器。與之前的 DAB 拓?fù)湎啾?，該電路的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)保持軟開關(guān)特性。

CLLC諧振轉(zhuǎn)換器

CLLC 轉(zhuǎn)換器是另一種可利用軟開關(guān)技術(shù)和雙向功率流的諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 它在初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)均包含一個(gè)諧振電感器和一個(gè)諧振電容器。該電路和其他在初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)都包含全橋的電路的一個(gè)共同優(yōu)點(diǎn)在于，其控制原理是相同的。此外，與之前的 LLC 轉(zhuǎn)換器一樣，CLLC 可在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)特性。不過(guò)，CLLC 優(yōu)于 LLC 拓?fù)涞囊粋€(gè)原因是對(duì)稱諧振回路。LLC 拓?fù)渚哂蟹菍?duì)稱諧振回路，導(dǎo)致反向操作與正向操作不同。具有對(duì)稱諧振回路的 CLLC 解決了這一問(wèn)題，因此更容易實(shí)現(xiàn)雙向充電。

總結(jié)

電池儲(chǔ)能系統(tǒng)持續(xù)演進(jìn)，并伴隨可再生能源發(fā)電技術(shù)得到更廣泛的應(yīng)用，這催生了對(duì)更高效、更可靠功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的需求。本文探討了現(xiàn)代功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的重要特征以及實(shí)現(xiàn)這些特征的一些常見(jiàn)DC-DC電路拓?fù)?。文中所討論的許多電路拓?fù)渚衫冒采烂赓M(fèi)在線的基于PLECS的Elite Power仿真工具進(jìn)行仿真，以更深入地了解器件級(jí)和系統(tǒng)級(jí)效率。欲了解更多信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)onsemi.cn獲取業(yè)界領(lǐng)先的設(shè)計(jì)資源和能源基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用創(chuàng)新技術(shù)的最新動(dòng)態(tài)。