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概要
電力電子行業(yè)正在經(jīng)歷一場(chǎng)變革：DC 高壓配電重新崛起，取代先進(jìn)機(jī)器設(shè)備的 AC 輸電系統(tǒng) [1]。一種模塊化 DC-DC 轉(zhuǎn)換器現(xiàn)已采用多種不同的封裝及電源形式提供，其可形成從低電壓系統(tǒng)到高電壓系統(tǒng)（工作電壓在 400 ~ 100V 之間）的橋接。實(shí)驗(yàn)和可行性研究[1、4]為母線轉(zhuǎn)換器模塊 (BCM) 引擎與變壓模塊 (VTM) 引擎的新產(chǎn)品指明了方向。這兩款引擎均顯示了成熟的正弦振幅轉(zhuǎn)換器 (SAC) 技術(shù)。目前的工作重心是為應(yīng)用雙向功率轉(zhuǎn)換認(rèn)證零部件。這里將介紹 3 種工作拓?fù)渥冃?。此外，本文還將簡(jiǎn)要介紹早期實(shí)驗(yàn)?zāi)康募敖Y(jié)果，以及用于克服在 SAC 部件最新部署過(guò)程中所涉及的最新挑戰(zhàn)的相關(guān)技術(shù)。在本文的最后部分還將概括使用這一技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例。
1. 應(yīng)用領(lǐng)域說(shuō)明
1.1 動(dòng)機(jī)
BCM 在過(guò)去十年間已經(jīng)逐步顯著改善了效率[1]。與采用新封裝部署B(yǎng)CM 同步的趨勢(shì)是， 朝著使用SAC引擎（也稱之為VTM）的最新方式方向發(fā)展。SAC 是一種諧振、比例輸出、 恒定功率、 隔離式以及近乎理想的 DC-DC 變壓器拓?fù)?。它能夠?qū)⒐β饰肫涠味丝冢?從而可按照高達(dá)32的K參數(shù)一步提升所應(yīng)用的二次電壓。此外，它還能夠以極低的功率損耗直接把二次端口接收到的絕大多數(shù)電能傳輸給一次端口。變壓比 K的倒數(shù)是一系列整數(shù)， 這些整數(shù)也正在隨著新產(chǎn)品的提供不斷擴(kuò)展。未來(lái)產(chǎn)品所也將根據(jù)各種行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)支持不同級(jí)別的高壓到低壓的連接。
1.2 對(duì)最新 SAC 工作模式進(jìn)行分類
本文將介紹與使用 SAC 引擎有關(guān)的三種最新拓?fù)漕愋停?不包括常規(guī)工作方式： 正向模
式） ： 反向、 鏡像和雙向模式。需要指出的是， 要提高功率吞吐量，所有基于 SAC 的解決方案都可能會(huì)涉及許多并聯(lián)部件。因此如果在下文中提到模塊，可能也是指一系列完全相同的并聯(lián)器件。圖 1 是所有的拓?fù)浼捌淇刂品匠淌健?/p>
圖 1：SAC 應(yīng)用拓?fù)溥x項(xiàng)。 以 f（正向）、 r（反向）或 b（雙向）電源轉(zhuǎn)換器方式工作的 SAC 在其一次電源端口與二次電源端口之間有隔離層。灰色條代表輸入與輸出電源端口間的 SAC 內(nèi)建電流隔離層。
在反向模式下，電源應(yīng)用于 SAC 的二次電源端口。在啟動(dòng)后，SAC 會(huì)根據(jù)與特定模塊相關(guān)的 K 因數(shù)提升電壓。然后將該電壓提供給與其一次電源端口相連的負(fù)載。
兩個(gè) SAC 引擎可以按鏡像模式使用。電源在第一個(gè) SAC 單元中先做反向模式升壓處理，另一個(gè)與該單元通過(guò)一次端口接口連接的單元按正向模式工作，從而可將高電壓軌的電壓
降到客戶最終設(shè)備所需的電壓水平。
雙向模式只部署一個(gè)SAC，目的是在激勵(lì)后，該模塊既能正向供電，也能反向供電，具體取決于給定時(shí)刻主動(dòng)驅(qū)動(dòng) SAC 的方式。
2.0 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果
2.1 建立反向模式工作
已經(jīng)從針對(duì)穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)條件評(píng)估做出的兩個(gè)測(cè)試設(shè)置中收集到初步結(jié)果。 圖 2 是針對(duì)在工
作臺(tái)上進(jìn)行長(zhǎng)期測(cè)試而精心設(shè)計(jì)的穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)設(shè)備。
圖 2：BCM 啟動(dòng)后在工作臺(tái)上處于穩(wěn)定工作狀態(tài)的反向BCM
在啟動(dòng)之前， BCM 的二次電源端口為反偏置，即穩(wěn)態(tài)電壓應(yīng)用于 BCM 的二次側(cè)， 在沒(méi)有任何不良后果的情況下，這是BCM可以承受的。BCM 隨后使用單向小電流高電壓電源（該電源足以偏置 BCM 內(nèi)部的一次側(cè)參考的控制器）在一次側(cè)通電。實(shí)驗(yàn)中使用的電源有大型電容器組，在 SAC 的一次側(cè)上運(yùn)行負(fù)載之前，該電容器組可承受一些反向電流。使用該部件隔離層一次側(cè)上的控制器，在啟動(dòng) BCM 的時(shí)候需要延遲一次側(cè)的負(fù)載加載，防止大量一次電流涌入該負(fù)載。負(fù)載電流將在 BCM 啟動(dòng)完成后加載。
在實(shí)際應(yīng)用中，連接到BCM 的二次反偏置電源很可能是唯一可用的電源，可能需要使用
輔助功率級(jí)來(lái)提升BCM二次側(cè)的電壓，才能在不影響 BCM 隔離層的情況下以高得多的
電勢(shì)為其一次端口提供電荷。
圖 3 和圖 4 分別顯示了一次浪涌測(cè)試設(shè)置及結(jié)果。
圖 3：反向 BCM 瞬態(tài)測(cè)試設(shè)置
圖 4：瞬態(tài)測(cè)試結(jié)果。綠色跡線：100 倍衰減的升壓輸出； 紅色跡線： LV 母線電壓；橄欖綠跡線：受控二次側(cè)浪涌電流。
2.2 應(yīng)用空間點(diǎn)評(píng)
根據(jù)第一實(shí)驗(yàn)階段得出的結(jié)果， BCM 組件在汽車能量收集及自適應(yīng)懸架系統(tǒng)概念驗(yàn)證中得到了成功部署， 雙向 BCM 實(shí)施主要基于從第一階段實(shí)驗(yàn)中獲得的經(jīng)驗(yàn)。
自從第一次演示以來(lái)，客戶已經(jīng)分享了在系留式水下交通工具和空運(yùn)設(shè)備中進(jìn)行電力傳輸?shù)膶?shí)際需求中的應(yīng)用。
這些應(yīng)用可使用從電源到負(fù)載的鏡像拓?fù)淠Ｊ酵ㄟ^(guò)由細(xì)徑電線制作的高壓鏈路為長(zhǎng)系索另一端的自主水下交通工具或無(wú)人機(jī)輸電。典型功率級(jí)范圍是1至2kW。圖5 Vicor白板中顯示的是一種空中應(yīng)用示例。Vicor 白板是一款基于 Web 的工具，可通過(guò) Vicor網(wǎng)站提供極大的客戶優(yōu)勢(shì)。這里描述的推薦替選方案可進(jìn)一步豐富實(shí)驗(yàn)證明效果良好的電源組件方法，其可提供設(shè)計(jì)模塊化、輕量級(jí)、高效率及高功率密度指標(biāo)。
圖 5的空運(yùn)輸電示例是在系索中使用高壓鏈路，該系統(tǒng)使用支持反向及正向模式工作的 BCM 實(shí)現(xiàn)。這是一個(gè) SAC 反射拓?fù)涫纠?，盡管它是采用單向電流工作模式也是如此。
3. 總結(jié)
本文介紹了以反向、鏡像及雙向拓?fù)淠Ｊ绞褂?BCM 的應(yīng)用，展示了一種實(shí)驗(yàn)測(cè)試設(shè)備（用于驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品采用反向模式工作的一致性操作）的初步結(jié)果。此外，本文還介紹了兩個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，一個(gè)是汽車再生制動(dòng)／主動(dòng)懸架系統(tǒng)領(lǐng)域，另一個(gè)則是系留無(wú)人機(jī)，從而為將最新 SAC 拓?fù)溆糜谄渌谠搱?bào)告中還未嘗試的功率處理實(shí)際應(yīng)用指明方向。
表 1：測(cè)試設(shè)置以及與圖 2 所示設(shè)置對(duì)應(yīng)的計(jì)算
表 2：標(biāo)準(zhǔn) BCM DC 啟動(dòng)功能的測(cè)試結(jié)果
