针对智能电网解决方案中的储能元件进行优化的 DC/DC 转换器

　　能源转型正在加速。风电、光伏等可再生能源比重不断增长。相反，必须随时保证稳定的电力供应和可用性。这一不可否认的事实提出了未来分散能源系统中的能量存储问题。以电流或电压形式存储能量意味着使用更高的电压水平以获得更高的效率。因此，需要强大的 DC/DC 转换器将电压降低到另一个水平，以便为控制电子设备提供辅助电压（图 1））。另一方面，实现能够在需要时检索能源的智能电网的方式要求全天候可用。对于储能元件以及能源生产本身，监控功能、控制单元功能以及与能源供应公司的通信模块必须可靠工作：例如，产生高达 3000 V 电压的风力涡轮机需要根本上要启动的基础电源电压。因此，DC/DC 转换器在农村随处可见。

　　图 1. 应用中的 DC/DC 转换器。图片由Bodo 的 Power Systems杂志提供。
　　高要求保证的电网稳定性
　　DC/DC转换器广泛应用于当今的电子设备中，它们在家用或娱乐设备的使用中是不可或缺的。然而，在大多数情况下，这些器件设计用于低电压范围。它们通常将线路电压电平降压至 5V、15V 或 24V。因此，它们是针对这种特定的操作条件而设计的。他们必须考虑到有关日照、冷却和可靠性问题的许多限制。鉴于输入范围有限，这些挑战很容易应对。
　　但现在考虑使用 MVDC （中压直流）应用，例如储能元件或可再生能源工厂，要求正在不断增加。出于安全原因，绝缘变得越来越重要，因为在某些用例中输入电压可能高达 1000V、2000V 甚至更高。相反，电压越高，保证所用材料的防曝晒结构的过程就越困难。此外，考虑到电网供应安全的重要性，需要限度的可靠性。考虑到当今能源网非常复杂的相互依赖性，集成在供电线路任何位置的这种 DC/DC 模块发生故障可能会导致整个系统崩溃，给消费者带来所有负面后果。总之，必须找到可靠的解决方案来限制 EMC 影响并确保电流隔离。然而，此类设备的工作条件远不能与传统 DC/DC 转换器（例如针对低电压环境设计的反激式转换器）的工作条件相媲美。可再生能源是在当地条件有利的地方捕获的，例如山区或其他极端条件普遍存在的地区。因此，必须考虑高海拔、腐蚀性影响和不方便的温度。另一方面，效率问题具有高度优先性。那么，这对于实际条件下的此类 MVDC 应用意味着什么呢？例如在山区或其他存在极端条件的地区。因此，必须考虑高海拔、腐蚀性影响和不方便的温度。另一方面，效率问题具有高度优先性。那么，这对于实际条件下的此类 MVDC 应用意味着什么呢？例如在山区或其他存在极端条件的地区。因此，必须考虑高海拔、腐蚀性影响和不方便的温度。另一方面，效率问题具有高度优先性。那么，这对于实际条件下的此类 MVDC 应用意味着什么呢？
　　追踪寄生元件
　　遵循较高电压有利于储能应用的逻辑，因为能量与电压平方成正比增长，让我们看一个有关上述 DC/DC 转换的小例子。我们采用等式W = 1/2 x C x U 2作为基础。然而，在实际应用中，转换过程中的功率损失是不可避免的。在大多数情况下，压降调节不再是一种选择。因此，电压将被计时以将功率从初级侧传输到次级侧，以限制这些损耗。无论如何，寄生元件会干扰此类应用的效率，因为初级侧和次级侧之间的距离将会增加。在 DC/DC 转换的整个过程中都可以找到寄生元件。有一定数量的附加元件做出了贡献，如晶体管、散热器、变压器本身和二极管：
　　Cpar=COSS+C散热器+C变压器+C二极管反射?　　考虑到典型的反激式转换器的这一点，我们必须接受当晶体管切换片刻时寄生电容会重新充电。当由于时钟而切换晶体管时，电容器将通过短路放电并释放热量。让我们看看专为低压应用设计的 DC/DC 转换器与为 MVDC 环境设计的 DC/DC 转换器在使用上有何差异。
　　功率损耗达到更高的维度
　　我们以寄生电容 C par = 250 pF 和开关频率 f sw = 60 kHz为例进行首次估计。对于低电压情况，我们假设输入电压 V in = 110 V，输出电压 V out = 25 V（24 V + V二极管= 24 V + 0.7 V ≈ 25 V），占空比 DC = 0.5。由此，我们可以首先计算保持变压器内部能量平衡所需的匝数比，然后计算晶体管的漏极电压 V DS ：
　

Vin × tonnprim _ _ _ _ _ _ _ _ _= Vout × toffnsec _ _ _ _ _ _ _ _ _ _? n prim n sec _ _ _ _ _= Vin × ton Vout × toff _ _ _ _ _ _ _ _ _ _Vin×tonnprim=Vout×toffnsec?nprimnsec=Vin×tonVout×toff

t = 1 f

t=1f

$$t=\frac{1}{·}=\mathrm{16\mu s}\_\_$$

$${\mathrm{ton}}_{}={\mathrm{tof}}_f=0.5\times t=8\mathrm{\mu s}{}_{\_}{}_{\_}{}_{\_}{}_{\_}\_$$

$$\frac{n_{prim}}{n_{sec}}=\frac{110V\times 0.08ms}{25\times 0.08ms}=4.4$$

$$V_{DS}=V_{in}+\frac{n_{prim}}{n_{sec}}\times V_{out}$$

$$V_{DS}=110V+4.4\text{×}25V=220V$$

　　关于功率损耗，我们已经了解了寄生元件引起的开关损耗：
　　

Ploss,par=12×C×U2×1t

Ploss,par=12×C×U2×1t

Ploss,par=12×250pF×(220V)2×116μs\约0.36W

　　对于 250 W 的输出功率来说，这仅约为 0.15%。所以乍一看它们似乎可以忽略不计。相比之下，由晶体管导通时的内阻引起的晶体管导通损耗影响更大。作为一个例子，我们将考虑 TO-220 600 V 晶体管的有效电流 ? Trs = 9 A，其导通电阻 R ds,on = 0.1 Ω @ + 100 °C：
　

Ploss,con=?2×DC3×RDS,on×1t

Ploss,con=?2×DC3×RDS,on×1t

$$P_{loss,con}=(9A{)}^2\times \frac{0.5}{3}\times 0.1\Omega \times \frac{1}{16\mu s}=1.35W$$

　　因此，这将约为输出功率的 0.55%，几乎是寄生元件造成的功率损耗的四倍。然而，考虑到现在输入电压 V in = 1000 V的中高压系统，我们可以看到功率损耗在很大程度上很重要：
　　

$$\frac{n_{\mathrm{prim}\mathrm{nsec}\_\_}}{{\_}_{\_\_\_}}=\frac{\mathrm{1000V}\times 0.08米}{·}=40$$

$${\mathrm{VDS}}_{}=\mathrm{1000V}+40\times \mathrm{25V}=\mathrm{2000V}{}_{\_}{}_{\_}\_\_\_$$

$$P_{\mathrm{损失},\mathrm{参数}}=\frac{1}{}\frac{2}{}{}_{\_}{}_{\_}{}_{\_}{}_{\_}{}_{\_}\frac{}{}\times \mathrm{250pF}\times (\mathrm{2000V}{)}^{}{}^{}\times \frac{1}{}\frac{\mathrm{16\mu s}}{}\_\_\_\frac{\_}{}\frac{\_}{}{}^{}\frac{}{}约30瓦$$

　　正如我们所看到的，这已经达到了 12% 的输出功率。因此，反激式转换器在此特定应用中是不利的，因为反射电压将被添加并恶化寄生效应。限度地减少这些不良影响的步是使用另一种电路设计。
　　通过电路设计优化损耗
　　现在让我们看看其他类型的转换器。例如，可以使用正向转换器代替反激式转换器。由于使用了电流存储扼流圈 (L)，因此该结构将遵循不同的原理。
　

n prim nsec _ _ _ _ _ _= 1000V × 0.08米·秒25 × 0.008= 40

nprimnsec=1000V×0.08ms25×0.008=40

VDS =1000V+40×25V=2000V _ _ ___

VDS=1000V+40×25V=2000V

P损失,参数= 1 2 _ _ _ _ _× 250pF × ( 2000V ) 2 × 1 16μs _ _ _ _ _

约30瓦

　　直流
　　_

　　尽管如此，使用简单的正向转换器会带来效率方面的其他缺点。使用桥式拓扑将是优化电路设计的另一个可能的步骤。这种选择还允许使用具有扩展性能范围的推挽式转换器。使用全桥拓扑（图 2），我们必须考虑到实现该电路需要四个晶体管，但我们不会遇到反激式转换器中反射电压造成的负面影响：

P损失,参数=4× 1 2 _ _ _ _ _× 250 p F × ( 1000 V ) 2 × 1 1.6毫秒_约30瓦

Ploss,par=4×12×250pF×(1000V)2×11.6ms≈30W

 

　　现在转到仅使用两个晶体管的半桥拓扑，我们将意识到损耗仅为之前设计的一半：
　　尽管如此，参考 MVDC 上下文，它们仍然占据了所需性能的相当大一部分。
　　根据这些示例，寄生元件引起的功率损耗根据所使用的拓扑而有所不同，但在任何情况下它们都会上升到输出功率的近 6 -12%。因此，为了使器件以更有效的方式工作，减少这些寄生元件具有很高的优先级，但修改电路设计只是答案的一部分。另一种可能性是降低开关频率，但这会带来输入电压范围的限制以及组件尺寸的妥协。这同样适用于通过添加冷却风扇和更厚的铝散热器等元件来优化温度应力。无论如何，为了满足可靠性、EMC或防风雨方面的要求，还必须添加大量附加模块：必须强调的是，不可能应用标准组件。然而，许多进入可再生能源解决方案领域的 DC/DC 转换器生产商尚未面临这些问题，因为他们一直专注于低压应用，而问题并不那么重要。因此，潜在的能源供应商首先必须通过漫长且开发密集的过程将必要的要素逐一组装来开发自己的系统。
　　基于经验的一体化解决方案
　　相比之下，Grau Elektronik 提供的产品已包含满足这些特定 MVDC 要求的解决方案。因此，其开发人员参考了铁路技术领域已经实现的MVDC应用。生产商回顾该领域二十年的经验，开发了大量接触线转换器的解决方案。例如，具有类似背景的项目包括安装在封闭铁路道口处的变流器。根据周围地区的不同，它们也可能被放置在极端条件下，例如暴露在天气条件下或海拔较高的地方。因此，转换器中已经实现了可靠性、EMC、振动、气候和加热问题的解决方案，因此无需添加保险丝、滤波器或散热器等补充元件。具有电流绝缘电流路径的输入/输出分离适合安全和关键噪声敏感应用。即使在电源电压、负载和温度波动较大的情况下，模拟和数字电流和电压控制环路也能解耦并提供微控制器、冷却风扇、电动阀、接触器和传感器。现有转换器专为铁路应用而设计，专为 24/7 使用而设计，MTBF 高，完全免维护（图 3 和图 4）。转换器的标称使用时间为 LT（使用寿命），参考平均温度 Tamb = + 40°C 为 > 25 年。MTBF 值约为 λ < 800，以标称输出功率为参考，Tamb = + 40°C。这些转换器设计用于三种不同的输入电压范围，如下表所示。标准输出电压为24V，
　　值得一提的是，即使输入电压高达 4000 V 也是可行的。在美国的一个模型项目中，Grau Elektronik 已经积累了经验：为风力涡轮机配备了将输入电压降压至 3000 V 的装置，证明了该公司作为该领域先驱的地位。