为了提高效率-如何将双向功率流集成到UPS设计中（第2部分）

在本系列的第1部分，我讨论了如何将双向功率流集成到您的不间断电源（UPS）设计中。在第二部分中，我将更仔细地研究2kW，48V至400V，效率>93%，隔离双向DC/DC转换器UPS参考设计以及备用电池应用

正如我在第1部分中所解释的，这个参考设计在电池充电时作为电压馈电的全桥DC/DC变换器工作，在备用模式下作为有源钳位电流馈电的全桥变换器工作。在备份模式下实现高效率是非常重要的，因为最大功率传输（2kW）发生在这种模式下。让我们看看有源箝位电流馈电转换器是如何工作的。

在备用模式下工作时，系统从电池获取电力，电池电压从36V到60V不等，并将其提升至一个几乎恒定的380V直流母线。实现这一点的一种方法是boost变换器使用电流馈电的变换器拓扑。

电流型转换器非常适合在输入或输出电压需要在很大范围内变化的情况下工作。它们易于控制，具有防止变压器饱和的固有保护，并且易于并联。但是传统上，电流型变换器的缺点是金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）在关断时会经历高电压尖峰。为了缓解这一缺点，必须使用有损无源缓冲器和具有更高额定电压的mosfet。例如，最大工作输入电压为60V的系统需要150V或200V的MOSFET。这种高电压要求导致效率降低，因为这些MOSFET没有针对漏源导通电阻（RDS（开）)门电荷（Qg）

通过在低压电流馈电全桥中增加一个有源箝位电路，参考设计将高关断电压峰值降低到输入电压以上15V以下，而无需额外的无源缓冲器。启动期间的低压MOSFET vds如下图1所示。

图1：低压MOSFET Vds与启动时的电感电流

通过控制有源箝位电路的工作，可以利用漏感储能实现低压MOSFET的零电压开关（ZVS）导通。这进一步提高了系统在备份模式下的效率。

图2显示了低压MOSFET的ZVS开启。在有源箝位MOSFET关闭之前，ZVS的范围取决于漏感的值和流过箝位电路的电流。

电流型变换器有一个固有的优点，它可以保证MOSFET的零电流开关（ZCS）开启。这是因为电流型转换器的开关周期重叠。例如，在MOSFET对Q1、Q3打开之前，MOSFET对Q2、Q4已经打开。这样可以确保当Q1和Q3接通时，通过它们的电流为零。在参考设计中，低压mosfet通常在ZVS或ZCS中导通。见图2和图3。

图2：低压MOSFET在零电压开关下导通

图3：低压MOSFET在ZCS处的导通

有源钳位电流馈电全桥的工作原理和初级（低压侧）的临界波形如下图4所示。标有红色箭头的区域表示当MOSFET对Q1、Q3关闭时，电流转移到有源钳位。这导致MOSFET上的电压尖峰降低。标有绿色的区域显示ZVS开启操作。

图4：有源箝位电流型全桥变换器波形重构

电流型变换器保证了高压全桥mosfet在后备模式下作为同步整流器工作时的ZVS导通和关断。由于这种拓扑结构与重叠开关一起工作-所有一次低压全桥开关在短时间内同时打开-关闭时二次侧高压MOSFET上的di/dt很小，从而确保二次侧MOSFET上的反向恢复损耗降低。

总的来说，使用基于有源箝位电流馈电变换器的拓扑结构在隔离双向变换器应用中显示出显著的优势。电流馈电电感的存在平滑了开关电流，因此降低了输入和输出电容器的纹波电流处理要求。在软开关能力和易于控制方面，它带来的优势使其成为UPS、电池备用装置应用的一个值得选择的选择。