隨著人們追求健康、親近自然的生活方式，戶外便攜式電源的需求日益增加。根據(jù)中國電源工業(yè)協(xié)會(huì)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告，2016年全球僅出貨52000臺(tái)便攜式儲(chǔ)能設(shè)備。預(yù)計(jì)2021年出貨量將達(dá)到483萬臺(tái)，年復(fù)合增長率148%。同時(shí)，隨著便攜式電源中應(yīng)用場(chǎng)合的變化，大容量電池的比例將逐年增加，與之相匹配的電源設(shè)計(jì)需求也將從數(shù)百瓦上升到千瓦。

本文介紹了一種3KW雙向變換器的設(shè)計(jì)考慮，該變換器滿足大功率便攜式儲(chǔ)能產(chǎn)品的需求。首先，我們?cè)谠O(shè)計(jì)中比較了幾種功率器件的性能，并指出SiC器件可以提高雙向轉(zhuǎn)換器的性能，因?yàn)樗鼈兙哂谐錾拈_關(guān)特性和極小的體二極管反向恢復(fù)性能。接下來，我們分析了整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，并指出滿足充電和逆變雙向DC/DC的增益要求是一個(gè)主要困難。接下來，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)解決方案，通過增加一個(gè)諧振電感來構(gòu)建一個(gè)雙向LLC諧振網(wǎng)絡(luò)，以滿足雙向LLC的增益要求。最后給出了測(cè)試結(jié)果和數(shù)據(jù)。

表1顯示了該設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)規(guī)格，圖1顯示了該設(shè)計(jì)的電源電路。正向工作時(shí)，給電池充電。在充電的同時(shí)，輸出交流電可以通過繼電器連接到逆變器輸出，逆變器端口從輸入交流電取電；在逆變的情況下，系統(tǒng)首先將蓄電池電壓升壓至400V左右，然后將400V DC逆變?yōu)?20Vac正弦波交流電供負(fù)載使用。

表3kW雙向轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)規(guī)格

圖1：便攜式電源的電源框圖

圖騰柱PFC的理論分析

當(dāng)系統(tǒng)工作在充電模式時(shí)，輸入的交流電壓需要通過前級(jí)PFC電路轉(zhuǎn)換成DC400V，然后由后級(jí)DC/DC將400V DC電壓轉(zhuǎn)換成恒流源為輸出電池充電。

圖騰PFC的理論分析已經(jīng)非常成熟。這里簡單回顧一下。

圖2~圖5是圖騰柱PFC的工作模式，在交流的正半周，Q2是主開關(guān)，Q1是續(xù)流開關(guān)，Q4一直導(dǎo)通，Q3一直關(guān)斷。在交流輔助半周期中，Q1用作主開關(guān)，Q2用作續(xù)流開關(guān)。同時(shí)，Q3始終導(dǎo)通，Q4始終關(guān)斷。

可以看出：

圖騰PFC的兩個(gè)橋臂的工作頻率不同；Q1&Q2構(gòu)成高頻橋臂，其工作頻率是我們?cè)O(shè)定的開關(guān)頻率。Q3&Q4組成的橋臂工作在低頻狀態(tài)，其工作頻率為輸入交流頻率。

在totem PFC的正半部分和負(fù)半部分內(nèi)，主開關(guān)和續(xù)流開關(guān)需要切換。

圖騰PFC的工作原理是同步整流升壓電路，在大功率應(yīng)用中通常設(shè)計(jì)在CCM電感電流的狀態(tài)，這就對(duì)該位置的器件體二極管的性能提出了更高的要求。

功率器件選擇i. MOSFET

Mosfet具有極低的導(dǎo)通電阻、良好的開關(guān)特性和低開關(guān)損耗。但在圖騰柱PFC的設(shè)計(jì)中，由于圖騰柱PFC可以等效為同步整流升壓電路，當(dāng)開關(guān)作為續(xù)流開關(guān)工作時(shí)，為了防止上下MOS短路通過，電感電流必然會(huì)流過體二極管，因此體二極管的性能將是這種應(yīng)用設(shè)計(jì)的重要考慮因素。

圖6選取了目前市場(chǎng)上最好的Mosfet的體二極管參數(shù)。其Qrr達(dá)到了1.2uC，如果考慮400V的母線電壓和45KHz的開關(guān)頻率，通過計(jì)算Qrr造成的損耗達(dá)到了21.6W，帶來了效率的大幅降低。更重要的是，器件溫升的問題會(huì)變得更加嚴(yán)重。因此，高頻開關(guān)MOS不僅要有極低的導(dǎo)通和開關(guān)損耗，而且要有非常好的體二極管反向恢復(fù)特性。

圖6：典型體二極管的反向恢復(fù)特性

電源設(shè)備選擇2。混合IGBT

IGBT器件廣泛用于高功率設(shè)計(jì)，因?yàn)樗鼈兙哂械惋柡蛯?dǎo)通壓降和有競(jìng)爭力的成本優(yōu)勢(shì)。然而，IGBT也有它的缺點(diǎn)。第一，IGBT本身不能像Mosfet一樣工作在第3象限，所以當(dāng)它作為續(xù)流開關(guān)時(shí)，沒有續(xù)流通道，電感電流只能通過反并聯(lián)二極管續(xù)流；其次，IGBT的電流拖尾效應(yīng)增加了IGBT的開關(guān)損耗，限制了IGBT的開關(guān)頻率。為了克服上述缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)選用了盧鑫半導(dǎo)體公司的混合IGBT。盧鑫半導(dǎo)體公司提供優(yōu)化的IGBT性能，并在內(nèi)部集成反平行碳化硅二極管。本設(shè)計(jì)中圖騰柱PFC的開關(guān)頻率可以從20KHz提高到45KHz。

電源設(shè)備選擇。原文如此

作為第三代半導(dǎo)體，SiC Mosfet具有出色的性能和極低的導(dǎo)通電阻和開關(guān)損耗。同時(shí)，它可以工作在第1或第3象限。續(xù)流時(shí)，電感電流流經(jīng)導(dǎo)電通道，實(shí)現(xiàn)真正的同步整流。體二極管只工作在上下晶體管的死區(qū)時(shí)間，大大降低了器件損耗。同時(shí)上面提到的SiC mosfet的體二極管反向恢復(fù)的損耗也很小。所以SiC器件非常適合做圖騰柱PFC的高頻橋臂。

圖7比較了50A IGBT和40 mω SiC Mosfet的正向壓降。從圖中可以看出，SiC器件的正向壓降是線性的，可以用Rdson*Ids來計(jì)算。同時(shí)，隨著溫度的升高，導(dǎo)通壓降也會(huì)因?yàn)镽dson的增大而增大。IGBT的電壓降曲線是一條非線性曲線。從圖中可以看出，在1.2V的Vce壓降范圍內(nèi)，SiC的導(dǎo)通壓降優(yōu)于IGBT。同時(shí)，IGBT的閾值電壓最低，為0.8V，可以預(yù)期，在輕負(fù)載下，SiC器件的效率優(yōu)勢(shì)更加明顯。

圖。sic MOSFET與si IGBT正向?qū)▔航档谋容^

圖8和圖9顯示了續(xù)流狀態(tài)下SiC和IGBT的電流環(huán)路。當(dāng)IGBT工作在續(xù)流模式時(shí)，電感電流只能流過其反并聯(lián)二極管，因?yàn)镮GBT沒有逆轉(zhuǎn)電流的能力。然而，當(dāng)SiC器件在續(xù)流狀態(tài)下使用時(shí)，電感電流可以流過SiC的導(dǎo)電溝道。由于SiC器件的Rdson足夠低，所以電流流經(jīng)Rdson所產(chǎn)生的壓降會(huì)比IGBT的反并聯(lián)二極管低很多，這將進(jìn)一步提高SiC電路的效率。

雙向有限責(zé)任公司的理論分析

如前所述，在正向工作時(shí)，圖騰柱PFC將交流電壓轉(zhuǎn)換成400V DC母線，第二級(jí)DC/DC將400V母線電壓轉(zhuǎn)換成恒流源給電池充電。反向工作時(shí)，電池電壓由LLC升壓，圖騰柱PFC電路將工作在逆變狀態(tài)，將DC電壓轉(zhuǎn)換為220V交流電壓。

與圖騰柱PFC的設(shè)計(jì)不同，LLC的器件選擇會(huì)簡單很多，因?yàn)長LC可以全范圍實(shí)現(xiàn)器件的ZVS和整流二極管的ZCS。LLC的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于如何滿足兩個(gè)方向電壓增益的系統(tǒng)要求。表2顯示了兩種模式下的系統(tǒng)增益要求。

表LLC的增益設(shè)計(jì)要求

根據(jù)表2中的增益要求，LLC的正向和反向增益曲線繪制如下。

圖10顯示了充電模式下LLC的增益曲線。可以看出，LLC的增益曲線在正向工作的情況下能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求；

圖11顯示了反相器模式下LLC的增益曲線。從圖中可以看出，LLC的增益在逆變狀態(tài)下總是小于1，不能滿足系統(tǒng)的增益要求。

為了滿足雙向系統(tǒng)增益要求，有幾種不同的解決方案。第一種方法是使用世界屋脊DC/DC變換器，并在PFC和LLC之間增加一個(gè)同步整流雙向buck boost電路。通過buck-boost變換器，雙向工作時(shí)所需的總線電壓可以靈活調(diào)整，以支持雙向的設(shè)計(jì)要求，LLC也可以工作在更好的頻率點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的LLC設(shè)計(jì)。但是增加第三個(gè)升降壓電路會(huì)使系統(tǒng)和控制更復(fù)雜，成本更高。

在這個(gè)設(shè)計(jì)中，采用了一種新的方法。首先，總線電壓將隨電池電壓調(diào)整。為了進(jìn)一步拓寬調(diào)節(jié)范圍，采用了500V電解電容。在正向，PFC電壓將隨著電池電壓在380V到460V的范圍內(nèi)調(diào)整；反向工作時(shí)，總線電壓將在360V至460V范圍內(nèi)調(diào)整。其次，為了實(shí)現(xiàn)LLC反向增益大于1的設(shè)計(jì)目標(biāo)，我們?cè)?a target="_blank">高壓橋臂的中點(diǎn)之間添加了一個(gè)電感。該電感器、諧振電感器和諧振電容器形成新的諧振網(wǎng)絡(luò)。具體電路如圖12所示，正向工作時(shí)，Lr、Cr和變壓器的激勵(lì)電感Lm組成正向LLC諧振網(wǎng)絡(luò)；相反，增加的電感L2、Lr和Cr構(gòu)成反向LLC諧振網(wǎng)絡(luò)。通過增加外部電感，實(shí)現(xiàn)了LLC變換器反向升壓的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖13顯示了添加外部電感后LLC在反向逆變器模式下的增益曲線。從增益曲線可以看出，改進(jìn)后的增益曲線能夠滿足系統(tǒng)的增益要求。

圖12： LLC雙向諧振網(wǎng)絡(luò)

圖13:LLC反相器模式的增益曲線（添加外部電感后）

系統(tǒng)控制

圖14顯示了整個(gè)系統(tǒng)的框圖。整個(gè)系統(tǒng)的控制核心是單片機(jī)SPC1168。SPC1168是一款以Arm4為核心的浮點(diǎn)MCU，擁有豐富的外設(shè)資源，可以實(shí)現(xiàn)大部分數(shù)字電源控制。MCU位于系統(tǒng)的電池側(cè)，便于與BMS管理系統(tǒng)通信。交錯(cuò)側(cè)采樣，包括交流輸入電壓、逆變器輸出電壓、PFC母線電壓，都是通過諾富森的隔離電壓采樣芯片NSI1311實(shí)現(xiàn)隔離電壓采樣；交流輸入電流和逆變器輸出電流由Aceinna的MCA1101系列電流傳感器采樣。此外，LLC一次諧振電流由CT變壓器隔離采樣，所有隔離采樣裝置均滿足一、二次側(cè)加強(qiáng)絕緣的要求。DC電池側(cè)采樣包括輸出電壓和輸出電流的采樣。由于輸出電壓與MCU共享，因此輸出電壓由一個(gè)簡單的分壓電阻采樣。輸出電流經(jīng)過電流采樣電阻，采用差分運(yùn)算放大器電路實(shí)現(xiàn)輸出電流的精確采樣。

正向工作時(shí)，MCU對(duì)輸入交流電壓、輸入電感電流和PFC母線電壓進(jìn)行采樣，通過鎖相環(huán)獲得輸入交流電壓的頻率，從而完成PFC控制；同時(shí)對(duì)輸出電壓和電流信息進(jìn)行采樣，根據(jù)輸出電壓信息實(shí)時(shí)調(diào)整PFC母線電壓的設(shè)定，使LLC盡可能工作在諧振工作點(diǎn)，完成輸出恒壓恒流控制。反向工作時(shí)，單片機(jī)控制逆變器輸出，逆變器輸出采用輸出電壓電流雙閉環(huán)控制，電流環(huán)采用PI調(diào)節(jié)，電壓環(huán)采用PR調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)了特征頻率下的高增益和逆變器輸出電壓的無靜差調(diào)節(jié)。

本次設(shè)計(jì)中MCU的成功使用，取代了傳統(tǒng)的雙DSP方案，降低了系統(tǒng)成本，同時(shí)也降低了用戶對(duì)DSP的設(shè)計(jì)依賴，不僅具有明顯的成本優(yōu)勢(shì)，而且供貨更加穩(wěn)定，緩解了客戶對(duì)DSP供貨的后顧之憂。

圖14：雙向轉(zhuǎn)換器的控制框圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于上述分析結(jié)果，我們實(shí)驗(yàn)室研制了一臺(tái)3KW樣機(jī)。比較了SiC器件和混合IGBT在圖騰柱PFC和整個(gè)系統(tǒng)中的效率。LLC部分采用Littelfuse的IXFH34N65X2，二次整流采樣Sanrise的100V器件SRT10N047H。以Spintrol的Arm4為核心的單片機(jī)SPC1168完成整個(gè)系統(tǒng)的充電和逆變控制。同時(shí)，為了滿足系統(tǒng)的安全要求，采用了Novosense的隔離采樣芯片NSI1311和隔離驅(qū)動(dòng)芯片NSI6602B，Aceinna的65A電流傳感器MCA1101等。滿足加強(qiáng)系統(tǒng)絕緣的要求。

測(cè)試數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)波形如下。圖15-16示出了分別使用SiC器件和IGBT器件時(shí)PFC水平和系統(tǒng)水平的效率曲線。從圖中可以看出，帶SiC的圖騰柱PFC在輕載時(shí)比帶IGBT的圖騰柱PFC高3.5%，滿載時(shí)高0.6%。輕載（250W）下整機(jī)效率提升3%，滿載下提升0.5%。

從測(cè)試結(jié)果來看，SiC器件在輕負(fù)載下使用效率提升明顯，對(duì)于戶外儲(chǔ)能系統(tǒng)意義重大。3%的效率提升意味著20W充電器可以多持續(xù)270分鐘，65W充電器可以多持續(xù)83分鐘。

圖17~18顯示了正向PFC的PF值和反向逆變器的電壓THD的測(cè)試數(shù)據(jù)。滿載時(shí)，PF值達(dá)到0.995。在反向逆變器輸出和阻性負(fù)載下，電壓THD在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)都在2%以內(nèi)。在RC和RL負(fù)載下，交流輸出電壓THD也可以保持在3%以內(nèi)。

圖19~20給出了系統(tǒng)各部分的工作波形。圖18示出了當(dāng)正向工作時(shí)輸入電壓和輸入電流的波形。輸入電流跟蹤輸出電壓，獲得良好的PFC效果。圖19顯示了LLC的工作波形。LLC此時(shí)工作在boost模式，同步整流器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)提前關(guān)斷，防止電流反向流動(dòng)。

圖21~22顯示了反轉(zhuǎn)期間的測(cè)試波形。圖20是逆變器模式下的啟動(dòng)波形。從波形可以看出，輸出的220V交流電壓逐漸建立。圖21顯示了電阻滿載時(shí)的輸出電壓和電流波形。可以看出，當(dāng)電阻滿載時(shí)，輸出電壓沒有失真，達(dá)到了良好的控制效果。

便攜式能量存儲(chǔ)系統(tǒng)

為了滿足整個(gè)便攜式儲(chǔ)能電源的需求，除了3KW雙向變換器外，我們還設(shè)計(jì)了1200W太陽能MPPT電源板。圖22為樣機(jī)照片，雙向轉(zhuǎn)換尺寸為200mm*320mm*55mm，是根據(jù)電池組的尺寸要求設(shè)計(jì)的。MPPT板支持最大1200W的充電功率，方便用戶在戶外使用太陽能電池板實(shí)時(shí)快速補(bǔ)充電池電量。表3顯示了MPPT電源板的設(shè)計(jì)規(guī)格。MPPT板支持10~150V的寬電壓范圍，用戶可以靈活配置太陽能電池板的串并聯(lián)。為了實(shí)現(xiàn)寬范圍的輸入輸出電壓條件，MPPT設(shè)計(jì)采用4開關(guān)buck-boost電路，將太陽能電池板的電壓轉(zhuǎn)換成20A的恒流源給電池充電。MPPT控制算法也由Spintrol公司的SPC1168單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，MPPT效率達(dá)到99%。

表3:MPPT設(shè)計(jì)規(guī)格

MPPT板還集成了一個(gè)300W降壓轉(zhuǎn)換器。電池的電壓通過降壓轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成24V輸出，為系統(tǒng)的PD部分供電。PD板提供4路輸出，A口2路，C口2路，A口最大輸出功率20W，C口最大輸出功率100W。表4顯示了PD板的設(shè)計(jì)規(guī)格。

因此，便攜式儲(chǔ)能系統(tǒng)需要包括電池BMS、雙向轉(zhuǎn)換器、太陽能充電MPPT電路和PD端口。我們的系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖23所示。我們已經(jīng)完成了系統(tǒng)中所需的電源設(shè)計(jì)，BMS系統(tǒng)大部分情況下由電池廠商提供。

表4:PD板的設(shè)計(jì)規(guī)格

圖23：系統(tǒng)照片

總結(jié)

本文介紹3KW雙向變換器在便攜式儲(chǔ)能應(yīng)用中的一些設(shè)計(jì)考慮。比較了傳統(tǒng)Mosfet、IGBT和SiC Mosfet在圖騰柱PFC應(yīng)用中的優(yōu)缺點(diǎn)。指出SiC器件由于其優(yōu)異的性能和二極管特性，是最適合圖騰柱PFC應(yīng)用的功率器件。

分析了LLC部分在充電和逆變條件下的增益需求，以及滿足增益需求的幾種方法。結(jié)論是，增加一個(gè)外部電感是滿足LLC雙向增益的最簡單方法。通過在橋臂之間增加一個(gè)外部電感，LLC在充電和逆變條件下的增益要求均可滿足。

介紹了雙向變換器的系統(tǒng)采樣和控制。MCU在雙向轉(zhuǎn)換器中的應(yīng)用降低了系統(tǒng)成本，也減少了用戶對(duì)DSP的設(shè)計(jì)依賴和電源的擔(dān)憂。給用戶帶來很大的參考價(jià)值。

最后，根據(jù)這些分析，在實(shí)驗(yàn)室制作了一臺(tái)3KW雙向變換器樣機(jī)，并給出了測(cè)試結(jié)果。比較了碳化硅器件和IGBT器件對(duì)整個(gè)系統(tǒng)效率的影響。SiC器件可以大大提高系統(tǒng)的輕載效率，提高了3%。通過3%的效率提升，3KW便攜式儲(chǔ)能可為20W手機(jī)充電器提供近4小時(shí)的額外充電時(shí)間。為65W計(jì)算機(jī)適配器提供額外的1小時(shí)20分鐘。

除了3KW雙向轉(zhuǎn)換器，我們還制作了1200W MPPT板和300W PD板。客戶可以很容易地使用這些成熟的參考設(shè)計(jì)來完成整個(gè)便攜式儲(chǔ)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

審核編輯：黃飛