【導讀】現在可供設計人員使用的模塊化組件提供了兩個關鍵屬性：它們可用作有效且高效的“直流變壓器” - 也就是說，它們提供固定比率的直流-直流轉換：并且它們本質上是雙向的。關于如何實現雙向操作的詳細描述超出了本文的范圍；但是，通過查看作為支持技術的正弦振幅轉換器的主要元件，可以獲得“粗略”的理解。
SAC：對稱轉換器
現在可供設計人員使用的模塊化組件提供了兩個關鍵屬性：它們可用作有效且高效的“直流變壓器” - 也就是說，它們提供固定比率的直流-直流轉換：并且它們本質上是雙向的。關于如何實現雙向操作的詳細描述超出了本文的范圍；但是，通過查看作為支持技術的正弦振幅轉換器的主要元件，可以獲得“粗略”的理解。由于我們已經放棄了從左到右的思維，因此從中心開始，那里有一個變壓器，以及一個與變壓器的漏感保持諧振的串聯電容器。一側有一個開關橋（通常）被視為對直流總線進行斬波的輸入級，而另一側則有一個基本相同的布置，可稱為同步整流器。只要這兩條路徑與中央“槽”中的諧振波形同步切換，整個裝置就是對稱的，并且完全充當直流變壓器；電壓根據磁性元件的匝數比升高，電流降低，反之亦然。一個端口出現的阻抗變化會在另一端口反映出來（如預期，通過匝數比的平方），并且功率將相應地流動。諧振、零電壓和零電流開關可確保低損耗：諧振回路中存儲的能量少，可通過轉換器產生良好的瞬態響應：MHz 開關意味著小而輕的電感器和電容器。
圖 1：正弦幅度轉換器
盡管SAC拓撲本質上是雙向的，但有兩個功率組件系列對于雙向應用特別有用。一種是總線轉換器模塊（BCM），它在兩個電壓軌之間提供隔離的固定比率轉換。另一個是非隔離版本（稱為 NBM），其他方面類似。后一部分在雙向設置中使用起來稍微容易一些，因為它將通過施加到任一端口的電源來“啟動”（建立并穩定諧振切換）。如果需要隔離，則使用 BCM 需要少量的附加電路來提供偏置，以通過施加到“次級”的電源來啟動它。
雙向用例
高效的雙向功率轉換可應用于一系列不同的場景，這些場景可分為多個通用部分，如圖 2 所示。轉換器（隔離或非隔離）可以在其正向運行 - 通常是一個降壓，如 48 V 至 12 V：或相反，作為升壓。它可以在不同時刻向任一方向運行；或者，在第四種情況下，雙單元可以充當鏡像對；兩個相同的單元背對背連接。
圖 2：與 SAC 電源處理相關的四種模式
可再生能源正在刺激許多潛在應用的發展。直到近，光伏板的默認用途一直是作為并網陣列，通過逆變器將電力輸送回電力供應設施，以抵消甚至逆轉流向（來自）財產或設施的電力。隔離（即未并網）太陽能陣列為本地存儲供電以供本地“微電網”消耗的概念正在迅速普及。與此同時，建筑物范圍內（甚至更廣泛）范圍內的直流配電概念再次興起。此類總線通常建議使用 380 V，作為高側電壓，目前 BCM/NBM 系列模塊可以適應這一水平。
圖 3：基于帶有智能 100W USB C 連接器的 24Vdc 總線的子系統
圖 3 顯示了此類安裝的一般情況，其中多個直流負載由一系列可再生能源供電，并使用電池組作為備用電源。備用電池和機電飛輪是需要雙向功率流的示例。只需從可用范圍中選擇適當的轉換比模塊，即可適應供電（或存儲）側的不同電壓軌。在這張圖的消費者方面，LED 照明可能會在比主直流配電更低的電壓下運行。再次，合適的降壓（“反向”）轉換器模塊可以負責轉換。 Vicor 記錄的實驗配置采用了這樣的結構，通過使用智能 USB-C 連接器的 24V 總線實現逐個設備的配電，在規范中，該連接器能夠支持 100W。
圖 4：電池測試中的雙向直流
圖 4 中的框圖實際上顯示了與供電設備 (48V) 不同電位（例如 12V）的能量存儲的特殊情況。通過NBM模塊進行5:1轉換；監管始終偏高。電池電壓升高，然后調節至所需水平；或者對于充電，調節較高的總線電壓，以便 5:1 下變頻產生正確的充電電平。事實上，圖 4 描繪了電源實驗室的一種新測試設備，它既可以為產品提供穩壓測試電壓，又可以提供穩壓負載，從而回收能量，以便僅提供一小部分用于測試的能量。網格。解決這個問題的傳統方法是提供雙電源路徑；降壓（和調節）為電池充電，升壓以在主電源出現故障時將電源返回至 48 V 總線。除了電源轉換功能之外，這還需要一些具有安全鎖定功能的控制元件，以從一種狀態切換到另一種狀態。 使用雙向系統組件可以實現更簡單、更緊湊的解決方案。然而，如上所述，調節目前在雙向模塊中不可用，因此需要一些電源路徑重新布線才能在兩個方向上使用單個調節器。
圖 2 中的第四種情況可以準確類比電力公用電網和超級電網實踐。在這種情況下，轉換器按升壓方向連接，以便在一定距離內以更高的電壓傳輸電力，然后再連接一個相同的轉換器。單元連接到遠端的降壓裝置。當然，目標是減少中間布線中的 I?R 損耗。正如公用事業公司將其交流電變換為數百 kV 進行傳輸一樣，設計直流配電的工程師也可以使用直流變壓器來達到同一目的。雖然這利用了 NBM 模塊的可逆性，但這種情況下的功率流可能是雙向的，也可能不是雙向的。
采用這種策略的一個不尋常的是系留無人機或 UAV（無人駕駛飛行器）。并非所有無人機都需要自由飛行，但可能需要長時間操作（例如進行現場勘察或建筑攝影）。可以通過臍帶纜或系繩向此類機器供電。顯然，希望車載電池節省的重量不應被電纜的重量所抵消——因此，需要采用薄規格的電源饋送。 Vicor 建模的研究使用 50 V 板載電機電源，但使用 8:1 轉換器將其升壓至 400V，以便可以容忍具有 2 Ω 環路電阻的細線。
汽車電氣化
快速發展的電動汽車和混合動力領域似乎將提供更多應用，在這些應用中，不同直流母線之間的雙向功率流將被證明是有用的。低電平（12 V 和 48 V）的雙電壓車輛架構需要一系列總線互連以及電池和單元之間的功率流，具體取決于它們是輕度混合動力、中度混合動力還是全混合動力集成啟動器/發電機。 全電動汽車的數百伏牽引電源軌只會進一步增加復雜性，并將該技術帶入再生制動和能量回收領域。
所有這些都可以使用 Vicor 的在線 PowerBench 白板工具進行建模。它具有可供使用的 NBM 轉換器模塊的全面“黑匣子”行為模型。可以快速輸入實際應用的參數，并且該軟件已為正向或反向轉換器操作做好充分準備。可以立即準確預測轉換器內和的實際電壓、電流和損耗。支持模塊的并行連接，并且在雙向情況下同樣有效。使用具有雙向功能的模塊可以實現 200 W 至 20 kW 的功率處理，額定電壓可達 400 V 以上。
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