用于电池储能系统 (BESS) 的 DC-DC 功率转换拓扑结构

时间:2024-05-15    浏览:125

与太阳能光伏发电配套的储能系统通常采用电池储能系统(BESS)。关于BESS的进步,如更优质、更廉价的电池已显而易见,但较少提及的是更高效功率转换方法的应用。在深入探讨现代功率转换拓扑结构之前,应该先讨论一些重要的设计考虑因素。


隔离型与非隔离型


隔离型功率转换拓扑在DC-DC阶段通过使用变压器来实现初级侧与次级侧的电磁隔离。因此,初级侧与次级侧各自拥有独立的地线,而非共用接地。由于增加了变压器,隔离型拓扑成本更高、体积更大且效率略低,在并网应用中,出于安全考虑,电流隔离至关重要。


双向功率转换


双向拓扑结构减少了连接低压 BESS 至相应高压直流母线所需的功率转换模块数量。安森美(onsemi) 的 25 kW快速直流电动汽车充电桩参考设计就是利用两个双向功率转换模块的一个例子。该双向转换器与电网连接,为电动汽车的直流电池充电。AC-DC转换阶段采用三相 6 组(6-pack)升压有源前端,而DC-DC阶段采用双有源桥 (DAB) 拓扑。DC-DC双有源桥是较为流行的拓扑结构之一,稍后将对其进行讨论。


硬开关与软开关


传统的功率转换器采用硬开关控制方案。硬开关的问题在于,当晶体管从导通状态切换到关断状态时(反之亦然),漏极至源极电压(VDS)会降低,而漏极电流(ID)会增加。两者存在重叠,这种重叠会产生功率损耗,称为导通损耗和关断开关损耗。软开关是一种用于限制开关损耗的控制方案,其方法是延迟 ID 斜坡到 VDS 接近于零时导通;延迟 VDS 斜坡到 ID 接近于零时关断。这种延迟被称为死区时间,电流/电压斜坡分别被称为零电压(ZVS)和零电流开关(ZCS)。软开关可通过谐振开关拓扑(如 LLC 和 CLLC 转换器)实现,以大幅降低开关损耗。