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                            高效功率转换系统的发展与解决方案

                            发布时间:2022-04-07 来源:艾睿电子 责任编辑:wenwei

                            【导读】市场上有越来越多采用电池供电的设备,如何提高电池的运作效率,以及回收二次电池做更多的应用,是当前的重要发展方向。本文将为您介绍电池化成系统的运作、二次电池的再利用,以及太阳能光伏系统等应用发展,以及相关的解决方案。


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                            具有能量回收能力的高效电池化成系统


                            由于越来越多采用电池供电的应用,特别是电动汽车(EV)和智能手机、平板计算机和电动工具等便携式设备,全球对锂离子电池的需求不断增加。电池形成过程通过精确控制的充电和放电循环来激活锂化学物质,将化学物质转化为可用的形式。因此,电池化成系统需要高功率密度以增加充电和放电通道,以及具有能量回收能力的高效功率转换,即双向功率处理。


                            从交流电网到格式化电池的电源所形成的系统,将包括一个作为交流电网接口的功率因子校正(PFC)级、一个用于电流隔离和降压的隔离式DC-DC级,以及一个用于提供紧密充电和放电电压的非隔离式DC-DC级,以良好的控制充电和放电电流。所有阶段都基于开关转换器技术,而不是线性稳压器。开关转换器方法允许化成系统提高能量效率、功率密度,并提供使用相同硬件进行能量回收的可能性,从而降低电池制造成本。


                            为了满足可靠电池化成系统的高功率密度、高效率和能量回收要求,英飞凌提供了多种产品,包括功率器件、驱动器IC和微控制器。形成电池化成系统的核心级,可分成PFC级、隔离式DC-DC和非隔离式DC-DC级。


                            英飞凌建议在这些PFC拓扑中使用600 V CoolMOS? C7和P7系列作为有源开关,以实现高效的电源转换。CoolSiC?肖特基二极管650 V G6是推荐的无源开关,它仅提供1.25 V的正向压降,降低了PFC级的传导损耗。


                            与高效服务器开关模式电源(SMPS)设计类似,零电压开关(ZVS)拓扑通常应用于电池化成系统的隔离DC-DC级,两种典型的拓扑是半桥LLC和ZVS相移全桥转换器,英飞凌建议根据控制器选择,将600 V CoolMOS? CFD7、P7和C7作为LLC初级侧MOSFET。


                            化成系统控制器会指示非隔离式转换器对其各自的电池充电,并且通常与系统的其他非隔离式转换器一起在相似的时间开始放电过程。根据转换器的开关频率,设计人员可以选择最适合的英飞凌系列,当开关频率等于或低于100 kHz时,建议使用StrongIRFET?,而OptiMOS? 5在高于100 kHz的开关频率下提供更少的功率损耗。


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                            储能系统解决电动汽车二次电池难题


                            储能一直是发电、输电、配电和消费不可或缺的组成部分,随着可再生能源发电量的不断增长,电力格局正在发生巨大变化。储能系统(ESS)提供了广泛的技术方法来管理供需情况,并创建更具弹性的能源基础设施,并为公用事业和消费者带来成本节约。基于电池的ESS技术可以在不到一秒的时间内对断电做出反应,利用来自并联的太阳能或风力发电厂的清洁能源。


                            英飞凌在能源产生、传输、功率转换和电池管理方面的独特专业知识,使英飞凌成为在效率、创新、性能和最优成本方面,推进ESS解决方案的完美合作伙伴。英飞凌独特的专业知识和产品组合提供了最先进的解决方案,可减少设计工作、提高系统性能、加快上市时间并优化系统成本。


                            ESS的三大重点趋势是碳化硅(SiC)、二次电池的多模块方法与电池管理系统(BMS)的发展。英飞凌SiC产品组合的最新成员CoolSiC? MOSFET 650 V系列是最先进、经过优化的沟槽半导体工艺的产品,在实现应用中的最低损耗和最高运行中的可靠性的这两个方面毫不妥协。


                            在电动汽车解决方案日益普及的时代,可以预见,未来世界将不得不应对大量使用过的电动汽车电池。模块化级联、多级架构的一个主要优势是能够实现电池的第二次使用寿命,例如,适用于已达到其生命周期终点且不能再用于电动汽车的电池。为了解决电动汽车淘汰电池的问题,英飞凌开发了模块化级联、多级架构,这些架构利用了英飞凌市场领先的OptiMOS?系列等高效、低压MOSFET的优势。


                            在ESS应用中,电池管理系统实现两个顶级功能,即电池保护与电池监控,英飞凌的电池管理产品系列和参考设计,可协助成功开发更高效、更持久和更可靠的电池供电应用。英飞凌的TLE9012AQU是一款多通道电池监控和平衡系统IC,专为汽车、工业和消费类应用中使用的锂离子电池组而设计。TLE9012AQU实现四个主要功能,包括电池电压测量、温度测量、电池平衡和与主电池控制器的隔离通信。此外,TLE9012AQU提供必要的诊断工具,以确保受控电池的正常功能并检测任何故障。


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                            应用于光伏储能的双向DC/DC变换器


                            在21世纪的现在,电能已经是我们生活、工作中不可或缺的一部分,人类主要利用的传统一次能源是石油、天然气和煤炭等化石类能源,在这百多年人类社会和科技的飞速发展进步中,化石能源已经渐渐地消耗殆尽。


                            除了能源危机的影响,使用传统一次能源发电会向大气排放大量的C02以及S02和NOx等酸性气体,使世界各地酸雨量增加,并造成温室效应。传统能源的燃烧发电也会造成严重的雾霾,对植物和人体都存有严重的危害。


                            绿色能源中的太阳能是解决能源问题的重要关键,采用光伏储能系统主要有两种结构,分别为MPPT + 双向Buckboost + PCS,MPPT + DC/DC + PCS组成;两者的区别为双向Buckboost后端连接高压电池,双向DC/DC后端连接低压电池。


                            双向DC/DC变换器是DC/DC变换器的双象限运行,它的输入、输出电压极性不变,输入、输出电流的方向可以改变。一般来说,双向DC/DC可分为隔离式和非隔离式两种。其中隔离式双向DC/DC变换器应用较多,电路拓扑有多种变换形式。


                            目前光伏储能部分的双向DC/DC,采用的多为变换电路的CLLC和移相全桥拓扑。DC/DC部分的功率器件的设计多为IGBT,开关频率控制在20K左右。艾睿电子联合芯片厂商开发了纯SIC方案的DC/DC部分设计,已经可以做到开关频率达到200K,效率可以达到96%。


                            艾睿电子推出可用于储能的双向功率转换器的参考设计,它包括图腾柱PFC + CLLLC拓扑。它工作在高开关频率与SiC MOSFET实现高效率和减小尺寸和重量。它可用于大功率充电系统,如UPS、太阳能系统等。该参考设计可帮助用户加快SiC MOSFET系统设计,显著缩短产品开发周期。


                            将艾睿电子的双向电源转换器参考设计与IGBT设计相比,尺寸减小了50%,具有高输出功率(最大6.6kW)、高效率(>93%),支持数字控制双向输出、增强隔离、可用固件已经就绪,支持AC/DC双向电源转换,最大限度的充电功率可达6.6kW,支持交流输入电压为200Vac至265Vac 50Hz,直流输出电压为60Vdc至90Vdc,最大逆变功率可达6.6kW,逆变额定输入为80Vdc,逆变额定输出为220Vac 50Hz。


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                            高效率的LLC电源模块演示板


                            由宜普电源转换公司(EPC)所推出的EPC9149演示板,是一款1 kW、48 V输入至12 V输出LLC转换器,可用作具有4:1固定转换比的直流变压器。它具有100 V额定EPC2218和40 V额定EPC2024 GaN FET、uP1966A和LMG1020栅极驱动器,以及Microchip dsPIC33CK32MP102 16位数字控制器。EPC9149演示板的峰值效率在400 W时为97.5 %,满载效率为96.7% @ 12 V,可提供83.3 A输出,尺寸为22.9 × 58.4毫米(0.90 × 2.30英寸),薄型化设计,无散热器时转换器总厚度为10 mm,在安装了散热器套件时,最高温升为70℃ @ 12 V,83.3 A输出,固定开关频率为1 MHz,支持软启动到全阻性负载,拥有1227 W/in3的高功率密度(不包括引脚)。


                            这个转换器仅用于评估目的,并不是功能齐全的转换器,不能用于最终产品。EPC9149具有基于EPC2218和EPC2024 eGaN FET的初级侧全桥和双次级侧中心抽头半桥配置。EPC9149板还包括逻辑和栅极驱动器的自制电源,由LLC板的主输入电源电压供电。EPC9149板的输入和输出电压,由电阻分压器测量,并反馈到微控制器以用于控制目的。该模块使用定制的变压器铁芯,采用日立金属的ML91S材料,在高频运行时铁芯损耗低,两个半磁芯部分从板的顶部和底部插入,中间还添加了适当的垫片,以实现所需的磁化电感。


                            热管理对于确保正确和可靠的运行非常重要,EPC9149用于在正常环境温度下进行基准评估。添加散热器或散热片与强制风冷,可以显著提高功率器件的额定电流,但必须注意不要超过150℃的绝对最高芯片温度。


                            EPC9149 LLC电源模块具有Microchip dsPIC33CK32MP102数字信号控制器DSC。这款100 MHz单核器件配备用于开关模式电源(SMPS)应用的专用外围模块,例如功能丰富的4信道(8倍输出)、250 ps分辨率脉宽调制(PWM)逻辑、三个3.5 Msps模数转换器(ADC)、三个具有集成数模转换器(DAC)的15 ns传播延迟模拟比较器,支持斜坡信号生成、三个运算放大器,以及具有紧密耦合数据路径的数字信号处理(DSP)内核,适用于高性能实时控制应用。使用的器件是dsPIC33CK单核和dsPIC33CH双核DSC系列的最小衍生产品。此设计中使用的器件采用28引脚4x4 mm UQFN封装,指定用于-40至+125℃的环境温度。


                            结语


                            功率转换系统是所有电子设计的基础,通过变换电流的类型、电压的变化,来满足各种应用的需求。本文所介绍的多种解决方案,主要着重在电池系统、光伏系统的建置,均是当前最热门的应用方向,市场潜力极为惊人,值得您更进一步深入了解。



                            免责声明:本文为转载文章,转载此文目的在于传递更多信息,版权归原作者所有。本文所用视频、图片、文字如涉及作品版权问题,请联系小编进行处理。


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