双向电源设计的优点

SAC：对称转换器

现在可供设计人员使用的模块化组件提供了两个关键属性：它们可用作有效且高效的“直流变压器” - 也就是说，它们提供固定比率的直流-直流转换：并且它们本质上是双向的。关于如何实现双向操作的详细描述超出了本文的范围；但是，通过查看作为支持技术的正弦振幅转换器的主要元件，可以获得“粗略”的理解。由于我们已经放弃了从左到右的思维，因此从中心开始，那里有一个变压器，以及一个与变压器的漏感保持谐振的串联电容器。一侧有一个开关桥（通常）被视为对直流总线进行斩波的输入级，而另一侧则有一个基本相同的布置，可称为同步整流器。只要这两条路径与中央“槽”中的谐振波形同步切换，整个装置就是对称的，并且完全充当直流变压器；电压根据磁性元件的匝数比升高，电流降低，反之亦然。一个端口出现的阻抗变化会在另一端口反映出来（如预期，通过匝数比的平方），并且功率将相应地流动。谐振、零电压和零电流开关可确保低损耗：谐振回路中存储的能量少，可通过转换器产生良好的瞬态响应：MHz 开关意味着小而轻的电感器和电容器。

图 1：正弦幅度转换器

尽管SAC拓扑本质上是双向的，但有两个功率组件系列对于双向应用特别有用。一种是总线转换器模块（BCM），它在两个电压轨之间提供隔离的固定比率转换。另一个是非隔离版本（称为 NBM），其他方面类似。后一部分在双向设置中使用起来稍微容易一些，因为它将通过施加到任一端口的电源来“启动”（建立并稳定谐振切换）。如果需要隔离，则使用 BCM 需要少量的附加电路来提供偏置，以通过施加到“次级”的电源来启动它。

双向用例

高效的双向功率转换可应用于一系列不同的场景，这些场景可分为多个通用部分，如图 2 所示。转换器（隔离或非隔离）可以在其正向运行 - 通常是一个降压，如 48 V 至 12 V：或相反，作为升压。它可以在不同时刻向任一方向运行；或者，在第四种情况下，双单元可以充当镜像对；两个相同的单元背对背连接。

图 2：与 SAC 电源处理相关的四种模式

可再生能源正在刺激许多潜在应用的发展。直到近，光伏板的默认用途一直是作为并网阵列，通过逆变器将电力输送回电力供应设施，以抵消甚至逆转流向（来自）财产或设施的电力。隔离（即未并网）太阳能阵列为本地存储供电以供本地“微电网”消耗的概念正在迅速普及。与此同时，建筑物范围内（甚至更广泛）范围内的直流配电概念再次兴起。此类总线通常建议使用 380 V，作为高侧电压，目前 BCM/NBM 系列模块可以适应这一水平。

图 3：基于带有智能 100W USB C 连接器的 24Vdc 总线的子系统

图 3 显示了此类安装的一般情况，其中多个直流负载由一系列可再生能源供电，并使用电池组作为备用电源。备用电池和机电飞轮是需要双向功率流的示例。只需从可用范围中选择适当的转换比模块，即可适应供电（或存储）侧的不同电压轨。在这张图的消费者方面，LED 照明可能会在比主直流配电更低的电压下运行。再次，合适的降压（“反向”）转换器模块可以负责转换。 Vicor 记录的实验配置采用了这样的结构，通过使用智能 USB-C 连接器的 24V 总线实现逐个设备的配电，在规范中，该连接器能够支持 100W。

　
图 4：电池测试中的双向直流

图 4 中的框图实际上显示了与供电设备 (48V) 不同电位（例如 12V）的能量存储的特殊情况。通过NBM模块进行5:1转换；监管始终偏高。电池电压升高，然后调节至所需水平；或者对于充电，调节较高的总线电压，以便 5:1 下变频产生正确的充电电平。事实上，图 4 描绘了电源实验室的一种新测试设备，它既可以为产品提供稳压测试电压，又可以提供稳压负载，从而回收能量，以便仅提供一小部分用于测试的能量。网格。解决这个问题的传统方法是提供双电源路径；降压（和调节）为电池充电，升压以在主电源出现故障时将电源返回至 48 V 总线。除了电源转换功能之外，这还需要一些具有安全锁定功能的控制元件，以从一种状态切换到另一种状态。 使用双向系统组件可以实现更简单、更紧凑的解决方案。然而，如上所述，调节目前在双向模块中不可用，因此需要一些电源路径重新布线才能在两个方向上使用单个调节器。

图 2 中的第四种情况可以准确类比电力公用电网和超级电网实践。在这种情况下，转换器按升压方向连接，以便在一定距离内以更高的电压传输电力，然后再连接一个相同的转换器。单元连接到远端的降压装置。当然，目标是减少中间布线中的 I?R 损耗。正如公用事业公司将其交流电变换为数百 kV 进行传输一样，设计直流配电的工程师也可以使用直流变压器来达到同一目的。虽然这利用了 NBM 模块的可逆性，但这种情况下的功率流可能是双向的，也可能不是双向的。

采用这种策略的一个不寻常的是系留无人机或 UAV（无人驾驶飞行器）。并非所有无人机都需要自由飞行，但可能需要长时间操作（例如进行现场勘察或建筑摄影）。可以通过脐带缆或系绳向此类机器供电。显然，希望车载电池节省的重量不应被电缆的重量所抵消——因此，需要采用薄规格的电源馈送。 Vicor 建模的研究使用 50 V 板载电机电源，但使用 8:1 转换器将其升压至 400V，以便可以容忍具有 2 Ω 环路电阻的细线。

汽车电气化

快速发展的电动汽车和混合动力领域似乎将提供更多应用，在这些应用中，不同直流母线之间的双向功率流将被证明是有用的。低电平（12 V 和 48 V）的双电压车辆架构需要一系列总线互连以及电池和单元之间的功率流，具体取决于它们是轻度混合动力、中度混合动力还是全混合动力集成启动器/发电机。 全电动汽车的数百伏牵引电源轨只会进一步增加复杂性，并将该技术带入再生制动和能量回收领域。

所有这些都可以使用 Vicor 的在线 PowerBench 白板工具进行建模。它具有可供使用的 NBM 转换器模块的全面“黑匣子”行为模型。可以快速输入实际应用的参数，并且该软件已为正向或反向转换器操作做好充分准备。可以立即准确预测转换器内和的实际电压、电流和损耗。支持模块的并行连接，并且在双向情况下同样有效。使用具有双向功能的模块可以实现 200 W 至 20 kW 的功率处理，额定电压可达 400 V 以上。