高效能电力转换系统的开发与解决方案

能源存储15 2月 2022

市场上越来越多电池供电的设备。提高电池的运行效率以及将二次电池用于更多应用的回收利用，是当前重要的发展方向。本文将向您展示电池化成系统的运作、二次电池的再利用、太阳能光伏系统的应用开发以及相关解决方案。

具有能量回收功能的高效电池化成系统

由于越来越多的电池供电应用，特别是电动汽车（EV）以及智能手机、平板电脑和电动工具等便携设备，全球对锂离子电池的需求正在增加。电池化成工艺通过精确控制的充放电周期激活锂化学物质，并将其转化为可用的形式。因此，电池化成系统需要高功率密度以增加充放电通道，并具备高效的能量回收能力和双向的功率处理能力。

从交流电网供电到格式化电池所构成的系统包括一个作为交流电网接口的功率因数校正 (PFC) 阶段，一个用于电流隔离和降压的隔离式直流-直流 (DC-DC) 阶段，以及一个用于提供精确充放电电压以实现对充放电电流的良好控制的非隔离式直流-直流 (DC-DC) 阶段。所有阶段均基于开关转换器技术，而非线性稳压器。采用开关转换器的方法使得成型系统能够提升能源效率和功率密度，并通过使用相同的硬件实现能量回收的可能性，从而降低电池制造成本。

为了满足可靠的电池化成系统对于高功率密度、高效率和能量回收的要求，英飞凌提供了多种产品，包括功率器件、驱动IC和微控制器。电池化成系统的核心阶段可以分为PFC阶段、隔离式DC-DC阶段和非隔离式DC-DC阶段。

英飞凌建议在这些PFC拓扑结构中使用600 V CoolMOS™ C7和P7系列作为有源开关，以实现高效的电能转换。CoolSiC™肖特基二极管650 V G6是推荐的无源开关，仅具有1.25 V的正向压降，从而减少了PFC阶段的导通损耗。

与高效服务器开关模式电源（SMPS）的设计类似，零电压开关（ZVS）拓扑通常应用于电池成型系统的隔离式 DC-DC 阶段。两个典型的拓扑结构是半桥 LLC 和 ZVS 相移全桥转换器。根据控制器的选择，英飞凌推荐使用 600 V CoolMOS™ CFD7、P7 和 C7 作为 LLC 主侧 MOSFET。

成型系统控制器指示非隔离转换器为各自的电池充电，并通常与系统中其他非隔离转换器在类似的时间开始放电过程。根据转换器的开关频率，设计者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，推荐使用StrongIRFT™；而当开关频率高于100 kHz时，OptiMOS™ 5在功率损耗方面表现更优。

储能系统解决了电动汽车退役电池的利用问题

储能一直是发电、输电、配电和用电中不可或缺的一部分。随着可再生能源发电的持续增长，电力格局正在发生巨大变化。储能系统（ESS）提供了一系列技术手段来管理供需关系，创造更灵活的能源基础设施，并为电力公司和消费者带来成本节约。基于电池的储能技术能够在不到一秒的时间内应对停电问题，同时利用来自附近太阳能或风能发电厂的清洁能源。

英飞凌在能源生成、传输、功率转换和电池管理方面的独特专业知识，使其成为在效率、创新、性能和成本优化方面推动储能系统 (ESS) 解决方案的理想合作伙伴。英飞凌的独特专业知识和产品组合提供了先进的解决方案，可以减少设计工作量、提升系统性能、加快产品上市速度并优化系统成本。

ESS（三大关键趋势分别是碳化硅 (SiC)、利用二次电池的多模模块化方法以及电池管理系统 (BMS) 的开发。英飞凌碳化硅 (SiC) 产品组合中的最新成员——CoolSiC™ MOSFET 650 V 系列，是采用最先进、优化的沟槽半导体工艺生产的产品，可在实现应用中最低损耗和运行中最高可靠性方面毫不妥协。

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的电动汽车废旧电池。模块化级联和多级架构的主要优势之一是能够实现电池的第二生命周期。例如，这种架构适用于那些已达到使用寿命终点、无法再用于电动汽车的电池。为了解决电动汽车电池的淘汰问题，英飞凌开发了模块化级联和多级架构，该架构利用了高效低压MOSFET的优势，比如英飞凌市场领先的OptiMOS™系列。

电池管理系统在ESS应用中实现了两个顶层功能，即电池保护和电池监控，而英飞凌的电池管理产品线和参考设计可以帮助成功开发更高效、持久和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，专为用于汽车、工业和消费类应用的锂离子电池组设计。TLE9012AQU实现了四大核心功能：电芯电压测量、温度测量、电芯平衡，以及与主电池控制器的隔离通信。此外，TLE9012AQU还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。

用于光伏储能的双向直流/直流转换器

在21世纪，电能已成为我们生活和工作中不可或缺的一部分。人类主要使用的传统一次能源是石油、天然气和煤炭等化石能源。在人类社会以及科学技术快速发展和进步的100多年里，化石能源正逐渐被消耗殆尽。

除了能源危机的影响外，使用传统一次能源发电会向大气中排放大量的酸性气体，如CO₂、SO₂和NOx，从而增加全球范围内的酸雨量并引发温室效应。传统能源用于发电的燃烧还会造成严重的雾霾，这对植物和人体都会带来危害。

在绿色能源中，太阳能是解决能源问题的重要关键。光伏储能系统主要有两种结构：MPPT + 双向 Buckboost + PCS 和 MPPT + DC/DC + PCS。它们之间的区别在于，双向 Buckboost 的后端连接高压电池，而双向 DC/DC 的后端连接低压电池。

双向DC/DC转换器是一种具有双象限运行能力的DC/DC转换器。其输入和输出电压的极性保持不变，但输入和输出电流的方向可以改变。一般来说，双向DC/DC转换器可分为隔离型和非隔离型两类。隔离型双向DC/DC转换器应用广泛，并且其电路拓扑有多种转换形式。

目前，光伏储能部分的双向DC/DC大多采用CLLC变换电路和移相全桥拓扑。DC/DC中的大多数功率器件为IGBT，开关频率控制在约20K。艾睿电子（Arrow Electronics）和芯片制造商已经开发出纯SIC方案的DC/DC设计，该方案可实现200K的开关频率以及96%的效率。

艾睿电子推出了一款用于能量存储的双向功率变换器参考设计，其中包括图腾柱PFC + CLLLC拓扑。该设计采用SiC MOSFET，在高开关频率下工作，以实现高效率并减小体积和重量。它可用于高功率充电系统，例如UPS和太阳能系统。此参考设计可帮助用户加速SiC MOSFET系统的设计，大幅缩短产品开发周期。

与IGBT设计相比，Arrow Electronics的双向电源转换器参考设计体积减小了50%，具有高输出功率（最高6.6kW）和高效率（>93%），支持数字控制双向输出、加强隔离，并且提供可用的固件，支持AC/DC双向电力转换，最大充电功率可达6.6kW，支持200Vac至265Vac 50Hz的交流输入电压、60Vdc至90Vdc的直流输出电压，最大逆变功率可达6.6kW，逆变器额定输入为80Vdc，逆变器额定输出为220Vac 50Hz。

高效率LLC电源模块演示板

EPC推出的EPC9149演示板是一款1千瓦、48伏输入至12伏输出的LLC转换器，其可作为固定转换比为4:1的直流变压器使用。该演示板采用100伏额定的EPC2218和40伏额定的EPC2024氮化镓场效应管（GaN FET）、uP1966A和LMG1020栅极驱动器，以及Microchip dsPIC33CK32MP102 16位数字控制器。EPC9149演示板在400瓦时的峰值效率为97.5%，在全负载情况下的效率为96.7% @ 12伏，输出为83.3安，尺寸为22.9 × 58.4毫米（0.90 × 2.30英寸），具有低轮廓设计，总转换器厚度为10毫米（不含散热器），安装散热器套件后最大温升为70℃ @ 12伏，输出为83.3安，固定开关频率为1 MHz，支持软启动至全阻性负载，以及容纳高功率密度（不包括引脚）的1227瓦/立方英寸。

此转换器仅供评估使用，并非完全功能性的转换器，无法用于最终产品。EPC9149 基于 EPC2218 和 EPC2024 eGaN 场效应晶体管，采用主边全桥和双次级侧中心抽头半桥配置。EPC9149 板还包括给逻辑电路和门极驱动器供电的辅助电源，这些电源由 LLC 板的主输入电源电压供电。EPC9149 板的输入和输出电压通过电阻分压器测量，并反馈给微控制器用于控制目的。该模块使用了定制的 Hitachi Metals ML91S 材质的变压器磁芯。磁芯在高频操作时的损耗较低。两个半磁芯组件分别从板子的顶部和底部插入，中间加入适当的间隔块以实现所需的励磁电感。

热管理对于确保正确和可靠的运行非常重要，而EPC9149用于在正常环境温度下进行台式评估。添加热扩散器或散热片以及强制风冷可以显著提高功率器件的额定电流。不过，必须注意不要超过芯片的绝对最高温度150℃。

EPC9149 LLC 电源模块配备了 Microchip DSPIC33CK32MP102 数字信号控制器 (DSC)。这是一款 100 MHz 的单核设备，专为开关模式电源 (SMPS) 应用提供专用外设模块，如功能强大的 4 通道（8x 输出）、250 ps 分辨率的脉宽调制 (PWM) 逻辑、三个 3.5 Msps 的模数转换器 (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，以及为高性能实时控制应用提供紧耦合数据路径的数字信号处理 (DSP) 核心。本设计中使用的器件是 dsPIC33CK 单核和 dsPIC33CH 双核 DSC 系列中体积最小的版本。这些器件采用 28 引脚 4x4 mm 的 UQFN 封装，可在 -40℃ 至 +125℃ 的环境温度范围内工作。