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世平集團代理之 TI 推出 大於93%效率隔離雙相不斷電系統的直流轉換器參考設計

 2018-01-10

TIDA-00951大多數備用電源設備,如直流逆變器,家用逆變器,工業直流不間斷電源和能源存儲銀行需要從電池向負載交換電力,反之亦然。 典型的動力系統圖顯示了備用電池的分布式架構:

 

正常運行時,主直流母線通過電網電源調節在300〜400V之間建築物,工廠或房屋。或者,直流母線可以通過可再生能源供電如太陽能發電或風力發電,這是通過電力條件為直流母線供電。電池充當儲能單元,也可以充電通過電網或外部可再生能源。通常,在電力停電期間,通過DC總線給電池充電並使電池放電由兩個單向轉換器實現,每個單向轉換器在一個方向上處理功率。用一個越來越重視緊湊和高效的電力系統,使用的興趣越來越大雙向轉換器,特別是在直流逆變器,家庭逆變器和儲能銀行。一個雙向DC-DC轉換器,能夠雙向通電,提供兩種功能單轉換器單元中的單向轉換器。TIDA-00951設計是一個隔離的雙向DC-DC轉換器,用於交換功率在300到400伏直流母線和48伏電池組之間。設計上有一個全橋功率級高電壓(HV)側,其與低電壓(LV)側上的電流饋送全橋級隔離。在直流母線存在的情況下(正常情況),設計工作在降壓模式下並充電恆定電流的電池,直到電池電壓在規定的限度內。在停電期間,設計作為電流型全橋轉換器來提升48V電池(36〜60V輸入)連接到380V DC總線,並通過備份支持負載。從充電到備份模式的過渡或變化對於確保連續性非常關鍵的權力的負載。 TIDA-00951的轉換時間小於100μs,從而減少了數量在過渡時間內系統提供電力所需的大容量電容。此TI設計在降壓模式下(作為充電器)的最高效率為93%,在升壓模式下的效率為94%(在出院期間)。高放電效率從電池提供高運行時間。在一個運行高開關頻率為100 kHz,設計緊湊的外形尺寸為185 mm×170 mm功率等級2千瓦。TIDA-00951設計針對組件數量,成本和性能進行了優化。各種參數效率,輸出紋波,轉換時間,啟動和開關應力等設計設備在以下部分進行了測試和記錄。

 

系統方塊圖

下圖顯示了TIDA-00951的高級框圖。 DC-DC轉換器由a電池側的全饋電流全橋變換器和380V母線側的全橋。 控制該系統通過TIDA-01281控制卡上的C2000™。 TIDA-01159孤立門驅動卡用於驅動380-V總線側的全橋。 高端電感電流感測是使用TIDA-01141板進行。

 

產品特性

這個TIDA-0951參考設計具有以下設備,這些設備是基於它們的選擇規格。 以下小節中提到了突出產品的主要特徵。有關這些設備的更多信息,請參閱http://www.TI.com上各自的產品文件夾或在“資源”部分中單擊產品文件夾的連結。

CSD19536KCS是一款100-V NexFET™MOSFET,具有非常低的2.3mΩRDSON和超低QgQgd分別為118 nC和17 nC。 在TIDA-00951設計中,使用了這些MOSFET中的五個在電池側或LV側,形成LV全橋和有源鉗位電路。 因為是LV場效應管在高負載時在ZVS上打開,RDSON參數在確定損耗時變得重要FET。 CSD19536KCS被選為非常低的RDSON。

UCC27211A是一款功能強大的120V半橋式柵極驅動器,能夠提供高達4 A的電源用於驅動功率MOSFET的灌電流。 具有非常低的上拉和下拉電阻,該器件通過米勒區域縮短了功率MOSFET的轉換時間,從而使切換最小化MOSFET上的損耗。 該器件是一個強大的半橋柵極驅動器,輸入引腳能夠容忍到-10V輸入電壓。 此TI設計利用此器件的功能來最小化切換關斷時LV側功率MOSFET的損耗在100kHz的高開關頻率下工作每個階段。

SN6505B是一款低噪聲,低EMI推挽式變壓器驅動器,專為小型設計而設計因素,孤立的電源。它驅動一個2.25V至5V DC的小型中心抽頭變壓器電源。輸出開關電壓的擺率控制實現超低噪聲和EMI通過擴頻時鐘(SSC)。 SN6505由一個振盪器和一個門驅動器組成電路提供互補輸出信號來驅動接地參考N溝道功率開關。該器件包括兩個1-A功率MOSFET開關,以確保在重負載下啟動。開關時鐘也可以在外部提供,以便精確放置開關諧波或時間使用多個變壓器驅動器。內部保護功能包括1.7-A限流,欠壓閉鎖,熱關斷和先斷後合電路。 SN6505B包含軟啟動功能可防止大功率負載電容器上電時的高湧入電流。

OP376系列低噪聲運算放大器(運算放大器)有電子微調功能, 具有出色的直流精度和AC性能。 OPA376是單路運算放大器,具有軌到軌輸入和輸出,低失調(25μV最大值),並且可以在低於地面100mV的共模電壓下工作。 低噪聲(7.5 nV /√Hz),最大950μA的靜態電流以及5.5 MHz的帶寬使得這部分非常適合這個TI設計。對於TIDA-00951,OPA376用於低側偏置的低側雙向電流檢測電壓和高增益帶寬乘積對於最小化電流檢測電阻值非常重要。

LM4041-N是一個精密基準電壓源,可提供固定的1.2V基準電壓。 LM4041-N器件的先進設計在確保無需外部穩壓電容的情況下,任何電容負載的穩定性,這使得LM4041-N易於使用。 中的曲率校正帶隙參考溫度漂移和低動態阻抗確保穩定的反向擊穿在寬範圍的工作溫度和電流範圍內的電壓精度。 LM4041-N 1.2用於為電流檢測放大電路提供精確的參考偏移電壓(基於OPA376)以啟用雙向電流感測。

 

測試報告

下圖顯示了針對各種電池電壓獲取的升壓模式輸出功率與效率數據。

 

下圖顯示了各種電池電壓和充電電流下的降壓模式效率。 將400V總線電壓固定在380V DC以進行該測試。

 

工作於1500W的TIDA-00951的熱像如圖24所示。電路板上的最高溫度在隔離變壓器上。 該板用400LFM氣流強制冷卻。

 

產品照片

 

應用