幾年前的電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)師可能希望簡(jiǎn)單地將一個(gè)直流電壓轉(zhuǎn)換成另一個(gè)直流電壓; 今天，這個(gè)愿望得以實(shí)現(xiàn)，“直流變壓器”成為現(xiàn)實(shí)。更多的設(shè)計(jì)自由意味著通過(guò)這些設(shè)備的選定系列的功率流可以是完全可逆的 - 它們是雙向的。

在研究這些組件的功能可以投入使用的一些新方法之前，值得花點(diǎn)時(shí)間考慮一下視角的微小變化如何激發(fā)新穎的產(chǎn)品概念和電路配置。我們習(xí)慣于從左到右的范式：我們習(xí)慣性地看到并繪制圖表，其中信號(hào)從源到目的地，傳感器到輸出傳感器，在該方向上穿過(guò)頁(yè)面。功率也通常從源到負(fù)載，從左到右跨越工作表。將功率轉(zhuǎn)換組件和子系統(tǒng)視為符合該慣例并且是單向的是很自然的。對(duì)于電力電子的大部分歷史來(lái)說(shuō)，這已經(jīng)廣泛存在。傳統(tǒng)的交流變壓器是一個(gè)明顯的例外。

SAC; 對(duì)稱(chēng)轉(zhuǎn)換器

現(xiàn)在可供設(shè)計(jì)人員使用的模塊化組件提供兩個(gè)關(guān)鍵屬性; 它們可用作有效且高效的“直流變壓器” - 也就是說(shuō)，它們提供固定比率的DC-DC轉(zhuǎn)換：并且它們本質(zhì)上是雙向的。如何實(shí)現(xiàn)雙向操作的詳細(xì)描述超出了這篇短文的范圍; 但通過(guò)研究正弦振幅轉(zhuǎn)換器的主要元件，可以獲得“廣泛的”理解，正弦振幅轉(zhuǎn)換器是核心支持技術(shù)。由于我們已經(jīng)放棄了從左到右的思維，從中心開(kāi)始，那里有一個(gè)變壓器，一個(gè)串聯(lián)電容器，與變壓器的漏感保持共振。在一側(cè)有一個(gè)開(kāi)關(guān)橋（傳統(tǒng)上）將被視為斬波直流母線的輸入級(jí)，另一方面，可以稱(chēng)為同步整流器的基本相同的布置。只要這兩條路徑與中央“槽”中的諧振波形同步切換，整個(gè)裝置就是對(duì)稱(chēng)的，并且與直流變壓器完全相同; 根據(jù)磁性元件的匝數(shù)比升高電壓，電流降低 - 反之亦然。在一個(gè)端口處呈現(xiàn)的阻抗的變化在另一個(gè)端口處被反射（通過(guò)匝數(shù)比的平方，如預(yù)期的那樣），并且功率將相應(yīng)地流動(dòng)。諧振，零電壓和零電流開(kāi)關(guān)確保低損耗：諧振回路中最小的存儲(chǔ)能量通過(guò)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生良好的瞬態(tài)響應(yīng)：MHz開(kāi)關(guān)意味著小型和輕型電感器和電容器。只要這兩條路徑與中央“槽”中的諧振波形同步切換，整個(gè)裝置就是對(duì)稱(chēng)的，并且與直流變壓器完全相同; 根據(jù)磁性元件的匝數(shù)比升高電壓，電流降低 - 反之亦然。在一個(gè)端口處呈現(xiàn)的阻抗的變化在另一個(gè)端口處被反射（通過(guò)匝數(shù)比的平方，如預(yù)期的那樣），并且功率將相應(yīng)地流動(dòng)。諧振，零電壓和零電流開(kāi)關(guān)確保低損耗：諧振回路中最小的存儲(chǔ)能量通過(guò)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生良好的瞬態(tài)響應(yīng)：MHz開(kāi)關(guān)意味著小型和輕型電感器和電容器。只要這兩條路徑與中央“槽”中的諧振波形同步切換，整個(gè)裝置就是對(duì)稱(chēng)的，并且與直流變壓器完全相同; 根據(jù)磁性元件的匝數(shù)比升高電壓，電流降低 - 反之亦然。在一個(gè)端口處呈現(xiàn)的阻抗的變化在另一個(gè)端口處被反射（通過(guò)匝數(shù)比的平方，如預(yù)期的那樣），并且功率將相應(yīng)地流動(dòng)。諧振，零電壓和零電流開(kāi)關(guān)確保低損耗：諧振回路中最小的存儲(chǔ)能量通過(guò)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生良好的瞬態(tài)響應(yīng)：MHz開(kāi)關(guān)意味著小型和輕型電感器和電容器。當(dāng)前下臺(tái) - 反之亦然。在一個(gè)端口處呈現(xiàn)的阻抗的變化在另一個(gè)端口處被反射（通過(guò)匝數(shù)比的平方，如預(yù)期的那樣），并且功率將相應(yīng)地流動(dòng)。諧振，零電壓和零電流開(kāi)關(guān)確保低損耗：諧振回路中最小的存儲(chǔ)能量通過(guò)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生良好的瞬態(tài)響應(yīng)：MHz開(kāi)關(guān)意味著小型和輕型電感器和電容器。當(dāng)前下臺(tái) - 反之亦然。在一個(gè)端口處呈現(xiàn)的阻抗的變化在另一個(gè)端口處被反射（通過(guò)匝數(shù)比的平方，如預(yù)期的那樣），并且功率將相應(yīng)地流動(dòng)。諧振，零電壓和零電流開(kāi)關(guān)確保低損耗：諧振回路中最小的存儲(chǔ)能量通過(guò)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生良好的瞬態(tài)響應(yīng)：MHz開(kāi)關(guān)意味著小型和輕型電感器和電容器。

圖1：正弦幅度轉(zhuǎn)換器

盡管SAC拓?fù)浔旧硎请p向的，但兩個(gè)功率組件系列對(duì)于雙向應(yīng)用特別有用。一種是總線轉(zhuǎn)換器模塊或BCM，它在兩個(gè)電壓軌之間提供隔離的固定比率轉(zhuǎn)換。另一種是非隔離版本（稱(chēng)為NBM），在其他方面類(lèi)似。后一部分在雙向設(shè)置中稍微容易使用，因?yàn)樗鼘氖┘拥饺我欢丝诘墓β省皢?dòng)”（建立和穩(wěn)定諧振切換）。如果需要隔離，則使用BCM需要少量額外電路來(lái)提供偏置，以便從施加到“次級(jí)”的電源啟動(dòng)它。

雙向用例

高效的雙向功率轉(zhuǎn)換可以應(yīng)用于一系列不同的場(chǎng)景，可以在一些通用分區(qū)中組合在一起，如圖2所示。轉(zhuǎn)換器（隔離或不隔離）可以向前運(yùn)行 - 通常是降壓，例如48 V至12 V：或相反，作為升壓。它可以在不同的時(shí)刻向兩個(gè)方向運(yùn)行; 或者，在第四種情況下，雙單元可以作為鏡像對(duì); 兩個(gè)相同的單元背靠背連接。

圖2：與SAC電源處理相關(guān)的四種模式

可再生能源正在為許多潛在應(yīng)用的發(fā)展提供刺激。直到最近，光伏電池板的默認(rèn)使用一直是并網(wǎng)陣列，通過(guò)逆變器供電，返回電力供應(yīng)公用設(shè)施，以抵消甚至逆轉(zhuǎn)（從）房產(chǎn)或設(shè)施的電力流。快速增長(zhǎng)的基礎(chǔ)是隔離（即不是并網(wǎng)）太陽(yáng)能電池陣列的概念，為當(dāng)?shù)亍拔㈦娋W(wǎng)”的消耗提供本地存儲(chǔ)。與此同時(shí)，在整個(gè)建筑范圍（甚至更廣泛）的范圍內(nèi)，直流配電概念的復(fù)興。通常建議380V用于這種總線，并且作為高端電壓，這是BCM / NBM系列模塊今天可以容納的水平。

圖3顯示了這種安裝的一般情況，其中使用電池組作為備用，從一系列可再生能源提供多個(gè)DC負(fù)載。備用電池和機(jī)電飛輪將是需要雙向功率流的示例。通過(guò)從可用范圍中選擇合適的轉(zhuǎn)換比模塊，可以輕松適應(yīng)供電（或存儲(chǔ)）側(cè)的不同電壓軌。在這張照片的消費(fèi)者方面，LED照明可能會(huì)在低于主DC分布的電壓下工作。再一次，合適的降壓（“反向”）轉(zhuǎn)換器模塊可以處理轉(zhuǎn)換。

圖3：基于24Vdc總線的子系統(tǒng)，帶有智能100W USB C連接器

雙向流動(dòng)與調(diào)節(jié)

圖4中的框圖顯示了實(shí)際上在與被供電設(shè)備（48V）不同的電位（例如12V）下的能量存儲(chǔ)的特殊情況。通過(guò)NBM模塊進(jìn)行5：1轉(zhuǎn)換; 監(jiān)管始終處于高位。電池電壓升高，然后調(diào)節(jié)到所需的水平; 或者為了充電，調(diào)節(jié)較高的總線電壓，使得5：1的下變頻產(chǎn)生正確的充電電平。圖4實(shí)際上描述了一種用于電源實(shí)驗(yàn)室的新測(cè)試設(shè)備，它可以為產(chǎn)品提供穩(wěn)定的測(cè)試電壓并提供穩(wěn)定的負(fù)載，回收能量，使得電網(wǎng)僅提供用于測(cè)試的一小部分。解決這個(gè)問(wèn)題的傳統(tǒng)方法是提供雙電源路徑; 降壓（和調(diào)節(jié)）給電池充電，當(dāng)主電源發(fā)生故障時(shí)，升壓將電源恢復(fù)到48 V總線。除了電源轉(zhuǎn)換功能之外，這還需要一些控制元件，具有安全鎖定功能，可以從一種狀態(tài)切換到另一種狀態(tài)。使用雙向系統(tǒng)組件可實(shí)現(xiàn)更簡(jiǎn)單，更緊湊的解決方案。然而，如上所述，目前在雙向模塊中不能進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此需要一些功率路徑重新布線以在兩個(gè)方向上使用單個(gè)調(diào)節(jié)器。

圖4：電池測(cè)試中的雙向DC

電力公用電網(wǎng)和超級(jí)電網(wǎng)實(shí)踐的精確類(lèi)比見(jiàn)圖2中的第四種情況。在此，轉(zhuǎn)換器在升壓方向上連接，以在一定距離上以更高的電壓傳輸功率，然后是相同的單元連接到降壓，在遠(yuǎn)端。當(dāng)然，目標(biāo)是減少干擾布線中的I2R損耗。正如公用事業(yè)公司將其AC轉(zhuǎn)換為數(shù)百kV用于傳輸一樣，設(shè)計(jì)DC配電的工程師也可以將DC變壓器用于同一端。雖然這采用了NBM模塊的可逆性，但在這種情況下的功率流可能是也可能不是雙向的。

采用這種策略的一個(gè)不尋常的情況是系留無(wú)人機(jī)或無(wú)人機(jī)（無(wú)人駕駛飛行器）。并非所有無(wú)人機(jī)都需要自由飛行，但可能需要延長(zhǎng)操作時(shí)間（例如進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)或建筑攝影）。可以沿著臍帶或系繩向這些機(jī)器供電。顯然，理想的是，不應(yīng)通過(guò)布線的重量來(lái)消除車(chē)載電池中保存的重量 - 因此，指示了薄規(guī)格的供電。以Vicor為模型的案例研究使用了50 V車(chē)載電機(jī)電源，但使用8：1轉(zhuǎn)換器將其提升至400V，因此可以容忍具有2Ω回路電阻的細(xì)線。

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