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世平集团代理之 TI 推出 大于93%效率隔离双相不断电系统的直流转换器参考设计

 2018-01-10

TIDA-00951大多数备用电源设备,如直流逆变器,家用逆变器,工业直流不间断电源和能源存储银行需要从电池向负载交换电力,反之亦然。 典型的动力系统图显示了备用电池的分布式架构:

 

正常运行时,主直流母线通过电网电源调节在300〜400V之间建筑物,工厂或房屋。或者,直流母线可以通过可再生能源供电如太阳能发电或风力发电,这是通过电力条件为直流母线供电。电池充当储能单元,也可以充电通过电网或外部可再生能源。通常,在电力停电期间,通过DC总线给电池充电并使电池放电由两个单向转换器实现,每个单向转换器在一个方向上处理功率。用一个越来越重视紧凑和高效的电力系统,使用的兴趣越来越大双向转换器,特别是在直流逆变器,家庭逆变器和储能银行。一个双向DC-DC转换器,能够双向通电,提供两种功能单转换器单元中的单向转换器。TIDA-00951设计是一个隔离的双向DC-DC转换器,用于交换功率在300到400伏直流母线和48伏电池组之间。设计上有一个全桥功率级高电压(HV)侧,其与低电压(LV)侧上的电流馈送全桥级隔离。在直流母线存在的情况下(正常情况),设计工作在降压模式下并充电恒定电流的电池,直到电池电压在规定的限度内。在停电期间,设计作为电流型全桥转换器来提升48V电池(36〜60V输入)连接到380V DC总线,并通过备份支持负载。从充电到备份模式的过渡或变化对于确保连续性非常关键的权力的负载。 TIDA-00951的转换时间小于100μs,从而减少了数量在过渡时间内系统提供电力所需的大容量电容。此TI设计在降压模式下(作为充电器)的最高效率为93%,在升压模式下的效率为94%(在出院期间)。高放电效率从电池提供高运行时间。在一个运行高开关频率为100 kHz,设计紧凑的外形尺寸为185 mm×170 mm功率等级2千瓦。TIDA-00951设计针对组件数量,成本和性能进行了优化。各种参数效率,输出纹波,转换时间,启动和开关应力等设计设备在以下部分进行了测试和记录。

 

系统方块图

下图显示了TIDA-00951的高级框图。 DC-DC转换器由a电池侧的全馈电流全桥变换器和380V母线侧的全桥。 控制该系统通过TIDA-01281控制卡上的C2000™。 TIDA-01159孤立门驱动卡用于驱动380-V总线侧的全桥。 高端电感电流感测是使用TIDA-01141板进行。

 

产品特性

这个TIDA-0951参考设计具有以下设备,这些设备是基于它们的选择规格。 以下小节中提到了突出产品的主要特征。有关这些设备的更多信息,请参阅http://www.TI.com上各自的产品文件夹或在“资源”部分中单击产品文件夹的连结。

CSD19536KCS是一款100-V NexFET™MOSFET,具有非常低的2.3mΩRDSON和超低QgQgd分别为118 nC和17 nC。 在TIDA-00951设计中,使用了这些MOSFET中的五个在电池侧或LV侧,形成LV全桥和有源钳位电路。 因为是LV场效应管在高负载时在ZVS上打开,RDSON参数在确定损耗时变得重要FET。 CSD19536KCS被选为非常低的RDSON。

UCC27211A是一款功能强大的120V半桥式栅极驱动器,能够提供高达4 A的电源用于驱动功率MOSFET的灌电流。 具有非常低的上拉和下拉电阻,该器件通过米勒区域缩短了功率MOSFET的转换时间,从而使切换最小化MOSFET上的损耗。 该器件是一个强大的半桥栅极驱动器,输入引脚能够容忍到-10V输入电压。 此TI设计利用此器件的功能来最小化切换关断时LV侧功率MOSFET的损耗在100kHz的高开关频率下工作每个阶段。

SN6505B是一款低噪声,低EMI推挽式变压器驱动器,专为小型设计而设计因素,孤立的电源。它驱动一个2.25V至5V DC的小型中心抽头变压器电源。输出开关电压的摆率控制实现超低噪声和EMI通过扩频时钟(SSC)。 SN6505由一个振荡器和一个门驱动器组成电路提供互补输出信号来驱动接地参考N沟道功率开关。该器件包括两个1-A功率MOSFET开关,以确保在重负载下启动。开关时钟也可以在外部提供,以便精确放置开关谐波或时间使用多个变压器驱动器。内部保护功能包括1.7-A限流,欠压闭锁,热关断和先断后合电路。 SN6505B包含软启动功能可防止大功率负载电容器上电时的高涌入电流。

OP376系列低噪声运算放大器(运算放大器)有电子微调功能, 具有出色的直流精度和AC性能。 OPA376是单路运算放大器,具有轨到轨输入和输出,低失调(25μV最大值),并且可以在低于地面100mV的共模电压下工作。 低噪声(7.5 nV /√Hz),最大950μA的静态电流以及5.5 MHz的带宽使得这部分非常适合这个TI设计。对于TIDA-00951,OPA376用于低侧偏置的低侧双向电流检测电压和高增益带宽乘积对于最小化电流检测电阻值非常重要。

LM4041-N是一个精密基准电压源,可提供固定的1.2V基准电压。 LM4041-N器件的先进设计在确保无需外部稳压电容的情况下,任何电容负载的稳定性,这使得LM4041-N易于使用。 中的曲率校正带隙参考温度漂移和低动态阻抗确保稳定的反向击穿在宽范围的工作温度和电流范围内的电压精度。 LM4041-N 1.2用于为电流检测放大电路提供精确的参考偏移电压(基于OPA376)以启用双向电流感测。

 

测试报告

下图显示了针对各种电池电压获取的升压模式输出功率与效率数据。

 

下图显示了各种电池电压和充电电流下的降压模式效率。 将400V总线电压固定在380V DC以进行该测试。

 

工作于1500W的TIDA-00951的热像如图24所示。电路板上的最高温度在隔离变压器上。 该板用400LFM气流强制冷却。

 

产品照片

 

应用