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    高效功率轉換系統的發展與解決方案

    發布時間:2022-04-07 來源:艾睿電子 責任編輯:wenwei

    【導讀】市場上有越來越多采用電池供電的設備,如何提高電池的運作效率,以及回收二次電池做更多的應用,是當前的重要發展方向。本文將為您介紹電池化成系統的運作、二次電池的再利用,以及太陽能光伏系統等應用發展,以及相關的解決方案。


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    具有能量回收能力的高效電池化成系統


    由于越來越多采用電池供電的應用,特別是電動汽車(EV)和智能手機、平板計算機和電動工具等便攜式設備,全球對鋰離子電池的需求不斷增加。電池形成過程通過精確控制的充電和放電循環來激活鋰化學物質,將化學物質轉化為可用的形式。因此,電池化成系統需要高功率密度以增加充電和放電通道,以及具有能量回收能力的高效功率轉換,即雙向功率處理。


    從交流電網到格式化電池的電源所形成的系統,將包括一個作為交流電網接口的功率因子校正(PFC)級、一個用于電流隔離和降壓的隔離式DC-DC級,以及一個用于提供緊密充電和放電電壓的非隔離式DC-DC級,以良好的控制充電和放電電流。所有階段都基于開關轉換器技術,而不是線性穩壓器。開關轉換器方法允許化成系統提高能量效率、功率密度,并提供使用相同硬件進行能量回收的可能性,從而降低電池制造成本。


    為了滿足可靠電池化成系統的高功率密度、高效率和能量回收要求,英飛凌提供了多種產品,包括功率器件、驅動器IC和微控制器。形成電池化成系統的核心級,可分成PFC級、隔離式DC-DC和非隔離式DC-DC級。


    英飛凌建議在這些PFC拓撲中使用600 V CoolMOS? C7和P7系列作為有源開關,以實現高效的電源轉換。CoolSiC?肖特基二極管650 V G6是推薦的無源開關,它僅提供1.25 V的正向壓降,降低了PFC級的傳導損耗。


    與高效服務器開關模式電源(SMPS)設計類似,零電壓開關(ZVS)拓撲通常應用于電池化成系統的隔離DC-DC級,兩種典型的拓撲是半橋LLC和ZVS相移全橋轉換器,英飛凌建議根據控制器選擇,將600 V CoolMOS? CFD7、P7和C7作為LLC初級側MOSFET。


    化成系統控制器會指示非隔離式轉換器對其各自的電池充電,并且通常與系統的其他非隔離式轉換器一起在相似的時間開始放電過程。根據轉換器的開關頻率,設計人員可以選擇最適合的英飛凌系列,當開關頻率等于或低于100 kHz時,建議使用StrongIRFET?,而OptiMOS? 5在高于100 kHz的開關頻率下提供更少的功率損耗。


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    儲能系統解決電動汽車二次電池難題


    儲能一直是發電、輸電、配電和消費不可或缺的組成部分,隨著可再生能源發電量的不斷增長,電力格局正在發生巨大變化。儲能系統(ESS)提供了廣泛的技術方法來管理供需情況,并創建更具彈性的能源基礎設施,并為公用事業和消費者帶來成本節約。基于電池的ESS技術可以在不到一秒的時間內對斷電做出反應,利用來自并聯的太陽能或風力發電廠的清潔能源。


    英飛凌在能源產生、傳輸、功率轉換和電池管理方面的獨特專業知識,使英飛凌成為在效率、創新、性能和最優成本方面,推進ESS解決方案的完美合作伙伴。英飛凌獨特的專業知識和產品組合提供了最先進的解決方案,可減少設計工作、提高系統性能、加快上市時間并優化系統成本。


    ESS的三大重點趨勢是碳化硅(SiC)、二次電池的多模塊方法與電池管理系統(BMS)的發展。英飛凌SiC產品組合的最新成員CoolSiC? MOSFET 650 V系列是最先進、經過優化的溝槽半導體工藝的產品,在實現應用中的最低損耗和最高運行中的可靠性的這兩個方面毫不妥協。


    在電動汽車解決方案日益普及的時代,可以預見,未來世界將不得不應對大量使用過的電動汽車電池。模塊化級聯、多級架構的一個主要優勢是能夠實現電池的第二次使用壽命,例如,適用于已達到其生命周期終點且不能再用于電動汽車的電池。為了解決電動汽車淘汰電池的問題,英飛凌開發了模塊化級聯、多級架構,這些架構利用了英飛凌市場領先的OptiMOS?系列等高效、低壓MOSFET的優勢。


    在ESS應用中,電池管理系統實現兩個頂級功能,即電池保護與電池監控,英飛凌的電池管理產品系列和參考設計,可協助成功開發更高效、更持久和更可靠的電池供電應用。英飛凌的TLE9012AQU是一款多通道電池監控和平衡系統IC,專為汽車、工業和消費類應用中使用的鋰離子電池組而設計。TLE9012AQU實現四個主要功能,包括電池電壓測量、溫度測量、電池平衡和與主電池控制器的隔離通信。此外,TLE9012AQU提供必要的診斷工具,以確保受控電池的正常功能并檢測任何故障。


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    應用于光伏儲能的雙向DC/DC變換器


    在21世紀的現在,電能已經是我們生活、工作中不可或缺的一部分,人類主要利用的傳統一次能源是石油、天然氣和煤炭等化石類能源,在這百多年人類社會和科技的飛速發展進步中,化石能源已經漸漸地消耗殆盡。


    除了能源危機的影響,使用傳統一次能源發電會向大氣排放大量的C02以及S02和NOx等酸性氣體,使世界各地酸雨量增加,并造成溫室效應。傳統能源的燃燒發電也會造成嚴重的霧霾,對植物和人體都存有嚴重的危害。


    綠色能源中的太陽能是解決能源問題的重要關鍵,采用光伏儲能系統主要有兩種結構,分別為MPPT + 雙向Buckboost + PCS,MPPT + DC/DC + PCS組成;兩者的區別為雙向Buckboost后端連接高壓電池,雙向DC/DC后端連接低壓電池。


    雙向DC/DC變換器是DC/DC變換器的雙象限運行,它的輸入、輸出電壓極性不變,輸入、輸出電流的方向可以改變。一般來說,雙向DC/DC可分為隔離式和非隔離式兩種。其中隔離式雙向DC/DC變換器應用較多,電路拓撲有多種變換形式。


    目前光伏儲能部分的雙向DC/DC,采用的多為變換電路的CLLC和移相全橋拓撲。DC/DC部分的功率器件的設計多為IGBT,開關頻率控制在20K左右。艾睿電子聯合芯片廠商開發了純SIC方案的DC/DC部分設計,已經可以做到開關頻率達到200K,效率可以達到96%。


    艾睿電子推出可用于儲能的雙向功率轉換器的參考設計,它包括圖騰柱PFC + CLLLC拓撲。它工作在高開關頻率與SiC MOSFET實現高效率和減小尺寸和重量。它可用于大功率充電系統,如UPS、太陽能系統等。該參考設計可幫助用戶加快SiC MOSFET系統設計,顯著縮短產品開發周期。


    將艾睿電子的雙向電源轉換器參考設計與IGBT設計相比,尺寸減小了50%,具有高輸出功率(最大6.6kW)、高效率(>93%),支持數字控制雙向輸出、增強隔離、可用固件已經就緒,支持AC/DC雙向電源轉換,最大限度的充電功率可達6.6kW,支持交流輸入電壓為200Vac至265Vac 50Hz,直流輸出電壓為60Vdc至90Vdc,最大逆變功率可達6.6kW,逆變額定輸入為80Vdc,逆變額定輸出為220Vac 50Hz。


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    高效率的LLC電源模塊演示板


    由宜普電源轉換公司(EPC)所推出的EPC9149演示板,是一款1 kW、48 V輸入至12 V輸出LLC轉換器,可用作具有4:1固定轉換比的直流變壓器。它具有100 V額定EPC2218和40 V額定EPC2024 GaN FET、uP1966A和LMG1020柵極驅動器,以及Microchip dsPIC33CK32MP102 16位數字控制器。EPC9149演示板的峰值效率在400 W時為97.5 %,滿載效率為96.7% @ 12 V,可提供83.3 A輸出,尺寸為22.9 × 58.4毫米(0.90 × 2.30英寸),薄型化設計,無散熱器時轉換器總厚度為10 mm,在安裝了散熱器套件時,最高溫升為70℃ @ 12 V,83.3 A輸出,固定開關頻率為1 MHz,支持軟啟動到全阻性負載,擁有1227 W/in3的高功率密度(不包括引腳)。


    這個轉換器僅用于評估目的,并不是功能齊全的轉換器,不能用于最終產品。EPC9149具有基于EPC2218和EPC2024 eGaN FET的初級側全橋和雙次級側中心抽頭半橋配置。EPC9149板還包括邏輯和柵極驅動器的自制電源,由LLC板的主輸入電源電壓供電。EPC9149板的輸入和輸出電壓,由電阻分壓器測量,并反饋到微控制器以用于控制目的。該模塊使用定制的變壓器鐵芯,采用日立金屬的ML91S材料,在高頻運行時鐵芯損耗低,兩個半磁芯部分從板的頂部和底部插入,中間還添加了適當的墊片,以實現所需的磁化電感。


    熱管理對于確保正確和可靠的運行非常重要,EPC9149用于在正常環境溫度下進行基準評估。添加散熱器或散熱片與強制風冷,可以顯著提高功率器件的額定電流,但必須注意不要超過150℃的絕對最高芯片溫度。


    EPC9149 LLC電源模塊具有Microchip dsPIC33CK32MP102數字信號控制器DSC。這款100 MHz單核器件配備用于開關模式電源(SMPS)應用的專用外圍模塊,例如功能豐富的4信道(8倍輸出)、250 ps分辨率脈寬調制(PWM)邏輯、三個3.5 Msps模數轉換器(ADC)、三個具有集成數模轉換器(DAC)的15 ns傳播延遲模擬比較器,支持斜坡信號生成、三個運算放大器,以及具有緊密耦合數據路徑的數字信號處理(DSP)內核,適用于高性能實時控制應用。使用的器件是dsPIC33CK單核和dsPIC33CH雙核DSC系列的最小衍生產品。此設計中使用的器件采用28引腳4x4 mm UQFN封裝,指定用于-40至+125℃的環境溫度。


    結語


    功率轉換系統是所有電子設計的基礎,通過變換電流的類型、電壓的變化,來滿足各種應用的需求。本文所介紹的多種解決方案,主要著重在電池系統、光伏系統的建置,均是當前最熱門的應用方向,市場潛力極為驚人,值得您更進一步深入了解。



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