返回顶部
返回首页
返回首页
开关电容器电源转换的新兴应用,中国机械网,okmao.com
home 您现在的位置: 首页 >技术中心 > 详细信息
开关电容器电源转换的新兴应用
2021年02月06日    阅读量:343    新闻来源:中国机械网 okmao.com  |  投稿

开关电容器(SC)技术通常与片上滤波器和放大器或低功率和低电压功率转换相关联,例如可穿戴设备,物联网(IoT)和类似电池供电设备的电荷泵。那正在改变。如今,正在为大功率,高压工业,电动汽车和海上风电场等电网应用开发SC电源转换中国机械网okmao.com。SC电源转换已开始与氮化镓(GaN)电源开关结合使用,以设计具有高效率和小尺寸的最新电源转换器。


GaN晶体管只占硅晶体管所需板空间的一小部分。结果,与硅器件相比,使用GaN晶体管的功率转换拓扑可以使用GaN晶体管提供更高的功率密度,而这种功率转换拓扑使用电容器等较小的无源器件作为回报。SC多电平转换器就是一个例子,它可以通过使用GaN电源开关来减小无源组件的尺寸或数量,并带来散发热量的额外好处,从而简化了热设计考虑。


多级和交错式SC转换器


已经针对使用三级降压转换器拓扑结构的两个基于GaN的多级SC转换器演示了概念验证设计。一种用于48Vdc服务器电源,另一种用于400V功率因数校正(PFC)应用。与两级拓扑相比,这些功率转换器可以显着提高效率。较小的无源组件(主要是电感器,在两级设计中可以占据总体积的80%)也为服务器电源提供了更高的功率密度。与两级设计相比,电源受益于改善的热性能。


这些三级基于GaN的SC转换器演示了两种新颖的多级栅极驱动方案:适用于集成至驱动IC的级联同步自举栅极驱动器和基于齐纳二极管的自举设计,可实现低成本批量生产。在48V和400V设计中均实现了飞跨电容器(SC)平衡。此外,48V设计可对负载变化提供良好的瞬态响应。400V设计中使用了齐纳二极管启动方案。基于GaN的多电平转换器有望成为包括堆叠式能量缓冲电路和同步整流在内的各种应用的高效可靠的替代方案。


另一组研究人员展示了使用GaN功率器件的交错式1至6升压谐振SC转换器。该设计使用了Dickson SC转换器,其中两个模块的相位差为180°。具有谐振操作的分相控制方案用于实现零电流开关。该转换器可提供20V至120V的转换,具有95.7%的峰值效率,并且在两相之间的所有条件下,固有电流均分在10%之内。该转换器的功率密度为314 W / in3。


已经开发了一种基于GaN的无变压器微逆变器,该逆变器具有随着DC / DC级提升的扩展占空比(EDR)。作为基于SC的交错式升压转换器,EDR可提供高增益并减少大多数电源开关上的电压和电流应力。交错的电感器电流减少了转换器输入电流上的等效纹波和电感器中的功率损耗。通过动态可变的直流线路(EDR),可以减小去耦电容器的电压摆幅,从而允许使用所有薄膜电容器。这款100kHz,300W微型逆变器从20到40 Vdc的输入范围产生120Vac,60Hz的输出。

开关电容器电源转换的新兴应用 中国机械网,okmao.com

GaN基SC dc / dc谐振升压转换器


已经开发出使用零电流开关的基于GaN的400W dc / dc谐振SC倍压器(SCVD)。在振荡电流过零之前不久将开关断开,在反向导通期间将另一个开关导通可以实现高效率的工作。实现此性能的关键是使用足够快的开关。在此设计中,使用GaN开关是因为它们具有快速的开关速度。此外,GaN器件中输出电容与漏源电压之间的线性关系可以用来改善振荡电路中电流的形状。与硅器件相比,GaN器件的RDS(on)随温度的升高相对较低,从而能够在更高的温度和更高的效率下运行。


此200V至400V转换器测得的最大效率超过99.2%。使用同步控制方案可以实现双向功率转换,从而使该设计适用于电池系统,尤其是在电动汽车或并网储能中。此设计使用平面扼流圈和小型GaN功率开关来实现高效率和高功率密度。


基于GaN的谐振开关电容器倍压器(SCVD),输出电压范围为Uin至2Uin。图片:MDPI)

用于EV和HEV电池平衡的SC转换器


除了用于EV电池和并网储能电池组的双向转换外,基于SC的双向电源转换还可用于电池组内的电池平衡。有时称为均衡,电池单元平衡对于确保高压电池组的可靠长期运行至关重要。SC双向dc / dc转换器的使用可以减少电池单元平衡时间,并减少实现电池单元平衡所需的开关数量。


在某些电动汽车设计中,超级电容器(UC)用于补充主锂离子电池组。主电池组可提供动力所需的大量能量,而UC电池组最多可包含600个UC,可用于在加速过程中补充动力并在再生制动过程中快速吸收动力。电池和UC的组合可延长电池寿命,并减小整个储能系统的尺寸和重量。双向SC转换器已开发用于电池和UC均衡和平衡。


SC转换器将功率从高压电池传输到低压电池。有三种工作模式:充电,放电和空闲。在充电和放电过程中,动态控制用于最大化电池组运行。在空闲期间,根据需要执行单元平衡。使用基于SC的转换器进行电池和/或UC电池电压均衡具有三个优点:减少了电源开关的损耗,降低了电磁辐射以及减小了整个储能和管理系统的尺寸,成本和重量。


网格规模SC转换器


正在为高功率应用提出新的SC拓扑,例如用于海上风电场的高压互连和多端子高压DC(HVDC)传输系统。SC多电平逆变器(SCMLI)是大功率SC开发的一个例子。SCMLI具有较低的直流电源要求的优势,并且可以在对称和非对称模式下运行,但是它很复杂,并且由于具有低成本,高性能微控制器而变得实用。与其他拓扑相比,对于给定的输出电压,SCMLI的开关器件数量较少,但其操作会产生13个和31个电平的输出电压,分别用于对称和不对称的dc电压源选择。


参考上图,SCMLI具有八个单向开关(T1至T8),两个双向开关(S1和S2),三个直流电压源(V1至V3)和四个开关电容器(C1至C4)。开关对T3和T4以及T5和T6是互补的,以避免直流电源短路。通过更改V1,V2和V3的电平,可以为不对称和对称操作配置相同的拓扑。SCMLI使用最近的电平控制(NLC)。NCL用最接近的电压电平逼近参考电压,从而可以提供更多的电压电平,从而产生具有最低开关损耗的基本开关频率。当在高输出电压应用中使用时,NLC使开关损耗和低阶谐波最小化。NLC控制可以以50/60 Hz的频率运行,并且可以扩展到N级。


到此结束了有关开关电容器的FAQ系列。SC是用途广泛的电路元件,其应用范围从模拟信号链使用到功率转换,从非常低功率的便携式设备和可穿戴设备到公用事业规模的应用。您可能还对阅读本系列的第1部分“开关电容滤波器,放大器和积分器”和第2部分“电子系统的开关电容功率转换”感兴趣。


标签:产品资讯机械应用技术中心设备与仪器工业设备
免责声明: 本文仅代表作者本人观点,与中国机械网无关。本网对文中陈述、观点判断保持中立,不对所包含内容的准确性、可靠性或完整性提供任何明示或暗示的保证。请读者仅作参考,并请自行承担全部责任。本网转载自其它媒体的信息,转载目的在于传递更多信息,并不代表本网赞同其观点和对其真实性负责。如因作品内容、版权和其它问题需要同本网联系的,请在一周内进行,以便我们及时处理。客服邮箱:service@cnso360.com | 客服QQ:23341571
中国机械网手机版MOBILE
扫描二维码,获取手机版最新资讯 中国机械网 您还可以直接微信扫描打开
全站地图

深圳网络警察报警平台 深圳网络警
察报警平台

公共信息安全网络监察 公共信息安
全网络监察

经营性网站备案信息 经营性网站
备案信息

中国互联网举报中心 中国互联网
举报中心

中国文明网传播文明 中国文明网
传播文明

深圳市市场监督管理局企业主体身份公示 工商网监
电子标识