为提高效率——如何将双向功率流集成到UPS设计中

随着对更紧凑和更高效电力系统的日益重视，双向转换器越来越受到关注。具有双向功率流的双向DC/DC换流器可将电池充电和备份操作传统上所需的两个DC/DC换流器组合在一起，降低了整个系统的成本、组件数量和尺寸。

此系列博文将分两个部分研究在不间断电源(UPS)、电池备份单元和储能系统装置应用中双向换流器的使用。

UPS或电池备份单元可在各种关键和非关键应用中提供不间断电源。UPS系统可从传统意义上分为备用UPS、线路交互式UPS和在线式或双换流UPS。在新类别的UPS开发方面，如备用在线式混合动力或高级ECO模式UPS，获得的进展甚少。

图1：常规在线式UPS的框图

在正常运行中，主直流母线通过交流网格源调节在300V至400V之间。电池作为储能单元，可以使用专用的AC/DC或DC/DC换流器通过AC电源或DC总线进行充电。另一台DC/DC升压转换器用于在断电期间将电池的电力从电池传输到DC-Bus(备用操作)。图2所示为具有双向换流器的在线式UPS的框图。

图2：具有双向DC-DC换流器的在线式UPS框图

高效小型双向参考设计是一种数字控制的2kW隔离双向DC/DC换流器，设计用于在300V至400VDC总线和48V电池组之间传输功率。参考设计在高压侧具有全桥功率级，而在低压侧具有电流馈电全桥级。存在直流母线(正常条件)的情况下，设计以降压模式运行，并以恒定电流对电池充电，直至电池电压处于限制值。在断电期间，该设计作为电流馈电全桥转换器运行，将48V电池(36V至60V输入)的功率提升至380VDC总线，支持备份载入。

图3：隔离双向DC-DC换流器的框图

参考设计在降压模式(作为充电器)下的峰值效率为94%，在升压模式(放电期间)为95%，平均效率高于93%。这种高放电效率为电池提供更长的运行时间。在36V至60V的宽输入电压范围内，使用电流馈电全桥级在放电模式下实现高效率，其优化隔离变压器的设计，以绕组中的最小化均方根(RMS)电流，同时最小化通过输入电容器的纹波电流。

在100kHz的高开关频率下工作，该参考设计的功率水平为2kW，尺寸为185mm×170mm。

图4：备份模式下的系统效率(升压模式)

从充电模式到备用模式的转换或随时间的变化对于确保负载供电的连续性至关重要。参考设计的转换时间小于100μs，从而减少了系统在转换期间提供电源所需的大容量电容量。

图5：快速模式从电池充电切换到备用模式

在该系列的第二部分中，我们将研究48V至400V应用的2KW、隔离DC-DC双向参考设计的工作细节。