上周四晚上与微信上一位山东的朋友的讨论AE的一种双向AC/DC电源规格,它支持0~100V输入,朋友关心的问题是这种双向电源在直流侧输入仅有0~5V输入时,它怎样才能把原边的直流电压支撑起来,这样AC/DC才能有功率馈入到电网。

 

那么双向DCDC如何才能把0~5V的输入提升到原边直流母线所需的600~800V呢?这个问题我以前也思考过,记得去年在一位大牛朋友那边看到某知名仪器品牌的双向AC-DC又称源载一体机的电路结构时,我就注意到这种电源根据电压和电流等级不同,使用了两套硬件架构,分别是DAB和CLLC搭配BUCK BOOST。

 

 

这个事情过去很久了,也许我凭借记忆画出来的功率框架有错误,但是大的方向是没错的。先从拓扑选择来看,CLLC因为增益范围窄,所以搭配多相交错BUCK BOOST来实现输出规格。DAB因为增益范围宽,所以直接一级隔离DCDC解决0~1KV的输出规格。当双向电源工作在电源模式时,CLLC可以通过BUCK 降压来实现0~500V的范围调整,DAB也可以通过移相来实现增益范围调节。但是问题就是当工作在反向时,如果输入侧只给个1V的电压,如何来实现并网回馈呢?

 

先从整流器的角度来看,整流器如果使用控制直流母线的方法,那就是外环控制直流母线内环控制电感电流,当后级双向DCDC往原变母线注入功率时,会让外环产生对电网放电来稳定原边直流电压的指令。所以BOOST能以最大占空比工作来升高输出电压,再经过CLLC隔离输出到原变直流母线上。通常BOOST内环用来限制电感电流,这里也能实现对输入电流的恒流目的,所以就能实现在1V输入时,都能有最大负向电流,流入双向电源经AC/DC馈入电网。 此时,原边直流母线由整流器控制,相当于电压源,而隔离双向DCDC就是以电流源并联电压源的方式,往母线注入功率。所以即使是输入仅有1V时,也能有功率传输到原边,再经整流器馈入电网。可见下面的仿真测试,当BOOST的输入电压由150下降到15V时,电感电流内环限制输入电流,同时并网逆变器进网功率下降不到400W。虽然仿真测试的例子不是PPT中的框架,但是也能说明用BUCK BOOST加隔离DCDC以电流源并联到原边母线时,即使是非常低的输入电压,也能实现恒流放电,将功率馈入电网。

 

 

所以我们再来看DAB的控制,其实更容易实现。因为DAB变换器通过移相来调整的是输出功率,这个功率由输入电压,输出电压,匝比,开关频率,电感量,和移相角度共同决定,可见下图。

 

 

当给定输入输出电压,开关频率和电感量,最大移相角度时就可以计算出DAB的传输功率。虽然在低压输入时功率会很低,也是能传递的。熟悉DAB的朋友肯定遇到过一个问题:就是当副边电压很低,此时原变电流完全由原变直流电压(VDC - Vout*(Np/Ns))*Ton/L来决定,它会产生非常高的峰值电流,甚至会导致炸鸡。所以在副边低压输入时,这个问题就非常明显了,有木有办法来解决这个问题呢?经过长时间的思考,我通过在DAB上增加电感电流内环来限制此种状态的电流,用来降低当输出电压在低电压区域时原边的电流峰值变大,不受控的问题。可见下图是一个0~750V输出/45KW的三相交错DAB,在原边650,副边输入电压5V,反向传输450W时的波形:

 

 

运行:

 

 

可见,由于限制了电感电流,在副边电压接近0V时,电感电流峰峰值仅为100A,RMS值32A,可保证开关器件在安全工作区域内。这说明DAB变换器也能实现在低压区域的恒流放电工作。

 

 

以下是其它工况的测试输入740V, 输出600V,45KW回网:

 

 

输入740V, 输出610V,45KW充电:

 

 

小结:关于超宽范围的大功率双向AC-DC电源系统实现,目前我仍在研究,也在思考一个个工程问题的解决方法,如果您也对此种应用感兴趣,可以与我交流一下,交换一下思考。本人能力有限,如有错误,恳请帮忙指点,谢谢。



参考文献:

  1. Dual Active Bridge Converter by Amit JainPeregrine Power LLC now with Intel Corporation

     

    Modeling and Optimization of Bidirectional Dual Active Bridge DC–DC Converter Topologies A dissertation submitted to ETH ZURICH for the degree of

 

Doctor of Sciences presented by FLORIAN KRISMER