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高效功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的發(fā)展與解決方案

發(fā)布時(shí)間:2022-04-07 來(lái)源:艾睿電子 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】市場(chǎng)上有越來(lái)越多采用電池供電的設(shè)備,如何提高電池的運(yùn)作效率,以及回收二次電池做更多的應(yīng)用,是當(dāng)前的重要發(fā)展方向。本文將為您介紹電池化成系統(tǒng)的運(yùn)作、二次電池的再利用,以及太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)等應(yīng)用發(fā)展,以及相關(guān)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(tǒng)


由于越來(lái)越多采用電池供電的應(yīng)用,特別是電動(dòng)汽車(EV)和智能手機(jī)、平板計(jì)算機(jī)和電動(dòng)工具等便攜式設(shè)備,全球?qū)︿囯x子電池的需求不斷增加。電池形成過(guò)程通過(guò)精確控制的充電和放電循環(huán)來(lái)激活鋰化學(xué)物質(zhì),將化學(xué)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為可用的形式。因此,電池化成系統(tǒng)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(zhuǎn)換,即雙向功率處理。


從交流電網(wǎng)到格式化電池的電源所形成的系統(tǒng),將包括一個(gè)作為交流電網(wǎng)接口的功率因子校正(PFC)級(jí)、一個(gè)用于電流隔離和降壓的隔離式DC-DC級(jí),以及一個(gè)用于提供緊密充電和放電電壓的非隔離式DC-DC級(jí),以良好的控制充電和放電電流。所有階段都基于開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器技術(shù),而不是線性穩(wěn)壓器。開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器方法允許化成系統(tǒng)提高能量效率、功率密度,并提供使用相同硬件進(jìn)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(tǒng)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(chǎn)品,包括功率器件、驅(qū)動(dòng)器IC和微控制器。形成電池化成系統(tǒng)的核心級(jí),可分成PFC級(jí)、隔離式DC-DC和非隔離式DC-DC級(jí)。


英飛凌建議在這些PFC拓?fù)渲惺褂?00 V CoolMOS? C7和P7系列作為有源開(kāi)關(guān),以實(shí)現(xiàn)高效的電源轉(zhuǎn)換。CoolSiC?肖特基二極管650 V G6是推薦的無(wú)源開(kāi)關(guān),它僅提供1.25 V的正向壓降,降低了PFC級(jí)的傳導(dǎo)損耗。


與高效服務(wù)器開(kāi)關(guān)模式電源(SMPS)設(shè)計(jì)類似,零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)拓?fù)渫ǔ?yīng)用于電池化成系統(tǒng)的隔離DC-DC級(jí),兩種典型的拓?fù)涫前霕騆LC和ZVS相移全橋轉(zhuǎn)換器,英飛凌建議根據(jù)控制器選擇,將600 V CoolMOS? CFD7、P7和C7作為L(zhǎng)LC初級(jí)側(cè)MOSFET。


化成系統(tǒng)控制器會(huì)指示非隔離式轉(zhuǎn)換器對(duì)其各自的電池充電,并且通常與系統(tǒng)的其他非隔離式轉(zhuǎn)換器一起在相似的時(shí)間開(kāi)始放電過(guò)程。根據(jù)轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)頻率,設(shè)計(jì)人員可以選擇最適合的英飛凌系列,當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率等于或低于100 kHz時(shí),建議使用StrongIRFET?,而OptiMOS? 5在高于100 kHz的開(kāi)關(guān)頻率下提供更少的功率損耗。


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儲(chǔ)能系統(tǒng)解決電動(dòng)汽車二次電池難題


儲(chǔ)能一直是發(fā)電、輸電、配電和消費(fèi)不可或缺的組成部分,隨著可再生能源發(fā)電量的不斷增長(zhǎng),電力格局正在發(fā)生巨大變化。儲(chǔ)能系統(tǒng)(ESS)提供了廣泛的技術(shù)方法來(lái)管理供需情況,并創(chuàng)建更具彈性的能源基礎(chǔ)設(shè)施,并為公用事業(yè)和消費(fèi)者帶來(lái)成本節(jié)約。基于電池的ESS技術(shù)可以在不到一秒的時(shí)間內(nèi)對(duì)斷電做出反應(yīng),利用來(lái)自并聯(lián)的太陽(yáng)能或風(fēng)力發(fā)電廠的清潔能源。


英飛凌在能源產(chǎn)生、傳輸、功率轉(zhuǎn)換和電池管理方面的獨(dú)特專業(yè)知識(shí),使英飛凌成為在效率、創(chuàng)新、性能和最優(yōu)成本方面,推進(jìn)ESS解決方案的完美合作伙伴。英飛凌獨(dú)特的專業(yè)知識(shí)和產(chǎn)品組合提供了最先進(jìn)的解決方案,可減少設(shè)計(jì)工作、提高系統(tǒng)性能、加快上市時(shí)間并優(yōu)化系統(tǒng)成本。


ESS的三大重點(diǎn)趨勢(shì)是碳化硅(SiC)、二次電池的多模塊方法與電池管理系統(tǒng)(BMS)的發(fā)展。英飛凌SiC產(chǎn)品組合的最新成員CoolSiC? MOSFET 650 V系列是最先進(jìn)、經(jīng)過(guò)優(yōu)化的溝槽半導(dǎo)體工藝的產(chǎn)品,在實(shí)現(xiàn)應(yīng)用中的最低損耗和最高運(yùn)行中的可靠性的這兩個(gè)方面毫不妥協(xié)。


在電動(dòng)汽車解決方案日益普及的時(shí)代,可以預(yù)見(jiàn),未來(lái)世界將不得不應(yīng)對(duì)大量使用過(guò)的電動(dòng)汽車電池。模塊化級(jí)聯(lián)、多級(jí)架構(gòu)的一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)是能夠?qū)崿F(xiàn)電池的第二次使用壽命,例如,適用于已達(dá)到其生命周期終點(diǎn)且不能再用于電動(dòng)汽車的電池。為了解決電動(dòng)汽車淘汰電池的問(wèn)題,英飛凌開(kāi)發(fā)了模塊化級(jí)聯(lián)、多級(jí)架構(gòu),這些架構(gòu)利用了英飛凌市場(chǎng)領(lǐng)先的OptiMOS?系列等高效、低壓MOSFET的優(yōu)勢(shì)。


在ESS應(yīng)用中,電池管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)頂級(jí)功能,即電池保護(hù)與電池監(jiān)控,英飛凌的電池管理產(chǎn)品系列和參考設(shè)計(jì),可協(xié)助成功開(kāi)發(fā)更高效、更持久和更可靠的電池供電應(yīng)用。英飛凌的TLE9012AQU是一款多通道電池監(jiān)控和平衡系統(tǒng)IC,專為汽車、工業(yè)和消費(fèi)類應(yīng)用中使用的鋰離子電池組而設(shè)計(jì)。TLE9012AQU實(shí)現(xiàn)四個(gè)主要功能,包括電池電壓測(cè)量、溫度測(cè)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(cè)任何故障。


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應(yīng)用于光伏儲(chǔ)能的雙向DC/DC變換器


在21世紀(jì)的現(xiàn)在,電能已經(jīng)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(tǒng)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(huì)和科技的飛速發(fā)展進(jìn)步中,化石能源已經(jīng)漸漸地消耗殆盡。


除了能源危機(jī)的影響,使用傳統(tǒng)一次能源發(fā)電會(huì)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(yīng)。傳統(tǒng)能源的燃燒發(fā)電也會(huì)造成嚴(yán)重的霧霾,對(duì)植物和人體都存有嚴(yán)重的危害。


綠色能源中的太陽(yáng)能是解決能源問(wèn)題的重要關(guān)鍵,采用光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)主要有兩種結(jié)構(gòu),分別為MPPT + 雙向Buckboost + PCS,MPPT + DC/DC + PCS組成;兩者的區(qū)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(yùn)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(lái)說(shuō),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(yīng)用較多,電路拓?fù)溆卸喾N變換形式。


目前光伏儲(chǔ)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?fù)?。DC/DC部分的功率器件的設(shè)計(jì)多為IGBT,開(kāi)關(guān)頻率控制在20K左右。艾睿電子聯(lián)合芯片廠商開(kāi)發(fā)了純SIC方案的DC/DC部分設(shè)計(jì),已經(jīng)可以做到開(kāi)關(guān)頻率達(dá)到200K,效率可以達(dá)到96%。


艾睿電子推出可用于儲(chǔ)能的雙向功率轉(zhuǎn)換器的參考設(shè)計(jì),它包括圖騰柱PFC + CLLLC拓?fù)?。它工作在高開(kāi)關(guān)頻率與SiC MOSFET實(shí)現(xiàn)高效率和減小尺寸和重量。它可用于大功率充電系統(tǒng),如UPS、太陽(yáng)能系統(tǒng)等。該參考設(shè)計(jì)可幫助用戶加快SiC MOSFET系統(tǒng)設(shè)計(jì),顯著縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。


將艾睿電子的雙向電源轉(zhuǎn)換器參考設(shè)計(jì)與IGBT設(shè)計(jì)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?jǐn)?shù)字控制雙向輸出、增強(qiáng)隔離、可用固件已經(jīng)就緒,支持AC/DC雙向電源轉(zhuǎn)換,最大限度的充電功率可達(dá)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(dá)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器,可用作具有4:1固定轉(zhuǎn)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(qū)動(dòng)器,以及Microchip dsPIC33CK32MP102 16位數(shù)字控制器。EPC9149演示板的峰值效率在400 W時(shí)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(shè)計(jì),無(wú)散熱器時(shí)轉(zhuǎn)換器總厚度為10 mm,在安裝了散熱器套件時(shí),最高溫升為70℃ @ 12 V,83.3 A輸出,固定開(kāi)關(guān)頻率為1 MHz,支持軟啟動(dòng)到全阻性負(fù)載,擁有1227 W/in3的高功率密度(不包括引腳)。


這個(gè)轉(zhuǎn)換器僅用于評(píng)估目的,并不是功能齊全的轉(zhuǎn)換器,不能用于最終產(chǎn)品。EPC9149具有基于EPC2218和EPC2024 eGaN FET的初級(jí)側(cè)全橋和雙次級(jí)側(cè)中心抽頭半橋配置。EPC9149板還包括邏輯和柵極驅(qū)動(dòng)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(cè)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(yùn)行時(shí)鐵芯損耗低,兩個(gè)半磁芯部分從板的頂部和底部插入,中間還添加了適當(dāng)?shù)膲|片,以實(shí)現(xiàn)所需的磁化電感。


熱管理對(duì)于確保正確和可靠的運(yùn)行非常重要,EPC9149用于在正常環(huán)境溫度下進(jìn)行基準(zhǔn)評(píng)估。添加散熱器或散熱片與強(qiáng)制風(fēng)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(guò)150℃的絕對(duì)最高芯片溫度。


EPC9149 LLC電源模塊具有Microchip dsPIC33CK32MP102數(shù)字信號(hào)控制器DSC。這款100 MHz單核器件配備用于開(kāi)關(guān)模式電源(SMPS)應(yīng)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(diào)制(PWM)邏輯、三個(gè)3.5 Msps模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、三個(gè)具有集成數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)的15 ns傳播延遲模擬比較器,支持斜坡信號(hào)生成、三個(gè)運(yùn)算放大器,以及具有緊密耦合數(shù)據(jù)路徑的數(shù)字信號(hào)處理(DSP)內(nèi)核,適用于高性能實(shí)時(shí)控制應(yīng)用。使用的器件是dsPIC33CK單核和dsPIC33CH雙核DSC系列的最小衍生產(chǎn)品。此設(shè)計(jì)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(huán)境溫度。


結(jié)語(yǔ)


功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是所有電子設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),通過(guò)變換電流的類型、電壓的變化,來(lái)滿足各種應(yīng)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(tǒng)、光伏系統(tǒng)的建置,均是當(dāng)前最熱門的應(yīng)用方向,市場(chǎng)潛力極為驚人,值得您更進(jìn)一步深入了解。



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