一种应用在电池测试系统的低压双向ACDC的实现与思考
开关电源仿真与实用设计 2022-09-23
可见下图是该种应用中的电力电子应用和各个电源轨的电压范围,对于15KW的应用场景,电池充电测试时:三相整流器工作在高PF整流器状态,输出700~800V的直流母线电压,再经过隔离型双向DC/DC降压为14或19V的低压输出到BTS(电池测试系统)的前级,电池测试系统内部多个通道共用这个电源,经过BTS内部的高精度BUCK/BOOST变换器为电池直接充电。反向工作时,工作流程反过来就好,整流器工作在高PF的并网回馈状态,双向DCDC工作在反向传输模式。      在这种系统应用中,电源系统分为前后两个独立的模块,前级电源系统为整流器组合隔离双向DCDC,后级为BTS和双向DCDC。由于电池为低电压电池,所以要求前级AC/DC系统的输出电压为14或19V,便于后级高效率工作。但是这样就带了一个问题,该如何选择哪一种隔离型双向DCDC应用在这种场景呢?三相整流器可以很好选择两电平或三电平整流器,整流器控制直流母线,dq坐标系双闭环即可。逆变模式,控制可以使用外环为PQ或控制VDC来做,内环依然是dq前馈解耦控制。

 

整流器的方案似乎已经可以确定,但是双向DCDC的方案却很纠结了,原因如下:

  1. 高压隔离双向DCDC好做,可选传统DAB,或LC谐振型DAB SRC,因为输出电压高,副边可以选择使用全桥。但是对于19V的电压输出,副边选择使用全桥似乎不太妙,首先是副边变压器出线到全桥整流器的电流走线和结构就很复杂,另外40V的器件和80V的低压器件,性能差别不是很大。从副边整流器的实现,很明显是选择推挽的方法要简单很多,包括结构和驱动,变压器结构也不会复杂,所以就不能选择比较常见的双全桥双向DCDC的方案。
  2. 增益范围考虑:由于不是直接面对电池,所以前级AC/DC系统只需恒定电压输出,不太需要很宽的增益范围。因此我选择使用传统LLC,而且LLC仅工作在增益低于1的SRC模式。在充电时,直接恒压输出19V。副边低压MOS以SR逻辑控制。在反向工作时,低压MOS直接50%占空比调频工作,原边MOS关闭掉,使用体二极管整流工作,首先是简化控制,另外就是提升可靠性,对于800V输出电压,不缺SR带来的那点效率。
  3. 输出电流的考虑:LLC在低压输出时,纹波电流确实是大问题。所以对于副边接近800A的输出电流。最好是使用多路交错的方式来降低输出侧电容滤波器的电流应力。从三路交错的电流纹波下降比例来看,效果确实很可观。三相交错LLC后,纹波电流不在是问题。经测试在20V750A的电流输出下,纹波电流RMS不到35A,比较好选择低压固液混合电容器来承担。


4、开关器件和驱动的考虑:原边高压直接使用SICMOS,搭配正负压驱动,目前已经成熟。副边低压输出19V*2*1.5(余量)应该可以选择60~80V之间的低压开关管,考虑到LLC的副边电流都是正弦波并在开关周期末期是下降趋势,这样就能解决电流馈电模式的双向DCDC的低压器件的电压应力问题。使用铜基板加贴片开关加铜条结构件工艺,变压器出来后直接打螺丝到整流板,每一相输出电流250A,一个绕组输出电流125A。

5、变压器使用立绕结构,原边绕线副边一圈,使用铜结构件引出,可参考下图,这个图片是台达的一个车载14V/180A的变压器。

6、工作模式切换考虑:使用LLC后不太容易实现功率方向无缝切换,所以我干脆把工作模式区分开。在充电时,整流器外环控制直流侧电压,高PF整流器模式工作。LLC输出19V恒压模式,低压侧SR工作,控制目标为低压输出电压或电流。当需要反向工作时,低压MOS继续工作,同时占空比恢复到50%调频,控制目标为原变母线电压,同时整流器切换为控制有功P为外环的并网回馈模式。模式切换通过先关闭LLC的原边高压驱动,再增大SR驱动,然后切换整流器为PQ并网控制模式。

7、反向工作时变压器直流偏置问题:尽可能的保证变压器的ON\OFF时间相等,其它继续考虑。


8、副边电流采样:使用低温度漂移的合金电阻采样输出电流,并做电阻的散热和温度采样,尽可能的补偿输出电流的采样精度。

9、其它待考虑,


三相LLC的隔离双向DCDC性能测试: 正向充电800V输入 / 输出20V15KW;   反向20V/750A输入 / 输出800V15KW;
小结:根据应用在电池测试系统的低压双向ACDC应用场景,因为输出输入输出电压相对固定,无需宽范围调整增益。选择使用三相LLC来实现隔离型双向DCDC,它的优点是控制简单,效率高,副边纹波电流低,ZVS工作,副边整流器电压应力低便于选择低压开关器件。同时对比使用电流馈电的推挽全桥隔离双向DCDC来说,这些优势很明显。今天只是先想到这里,如果有后续的思考在补充,希望各位研究双向DCDC的大佬来继续讨论高压转低压的隔离双向DCDC最优方案。 

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