1.概述

4開(kāi)關(guān)降壓升壓雙向DC-DC電源轉(zhuǎn)換器在很多應(yīng)用中都有使用。作為一個(gè)同步降壓或同步升壓轉(zhuǎn)換器，其中只有兩個(gè)開(kāi)關(guān)切換，開(kāi)關(guān)損耗減少到一半。只有當(dāng)直流母線和電池電壓彼此接近，然后轉(zhuǎn)換器作為一個(gè)同步降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，其中所有四個(gè)開(kāi)關(guān)切換。

典型應(yīng)用：

1.本地儲(chǔ)能系統(tǒng)；

2.備用電池單元(BBU)；

3.DC-DC非隔離應(yīng)用。

2.系統(tǒng)框圖

3.方案功能描述

1.多模式控制，降低開(kāi)關(guān)損耗，實(shí)現(xiàn)高效率；

2.兼容鋰離子和鋰聚合物電池的內(nèi)置電池充電CC-CV-Top算法；

3.從充電到備用電源模式的超快速切換，可在斷電時(shí)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫電源傳輸；

4.直流母線電壓可以高于或低于蓄電池電壓；

5.蓄電池過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)；

6.直流母線過(guò)電壓保護(hù)；

7.UCD3138數(shù)字電源控制器解決方案為未來(lái)更新提供可編程性和可配置性；

4.性能參數(shù)

5.系統(tǒng)描述

備用電池和電力存儲(chǔ)系統(tǒng)在不間斷電源系統(tǒng)(UPS)、服務(wù)器、電信整流器和電力線通信（PLC）系統(tǒng)等許多工業(yè)應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用。這些應(yīng)用使用各種各樣的儲(chǔ)能元件，如超級(jí)電容器、鉛酸電池、鋰離子和鋰聚電池。

典型的備用電池儲(chǔ)能系統(tǒng)有以下模塊：

1.從電源為電池充電的電池充電器子系統(tǒng)。

2.電池放電子系統(tǒng)，用于從電池向負(fù)載供電。

3.電池管理解決方案)系統(tǒng)來(lái)監(jiān)控和保護(hù)電池。

典型電池備份系統(tǒng)的框圖如圖所示。

電池充電器子系統(tǒng)從直流總線獲取電力并對(duì)電池組進(jìn)行充電。蓄電池放電子系統(tǒng)從蓄電池組獲取電能，并將其反饋到直流母線。

在正常工作條件下，電池備用系統(tǒng)從直流母線汲取能量，為電池組充電，而電池放電系統(tǒng)保持不活動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)直流母線輸入電源故障時(shí)，蓄電池放電系統(tǒng)立即開(kāi)始向直流母線供電。在此期間，電池充電器系統(tǒng)保持不活動(dòng)狀態(tài)。

降低電池備用子系統(tǒng)的成本和尺寸的一種方法是使用單個(gè)雙向功率轉(zhuǎn)換器來(lái)進(jìn)行電池充電和備用電源操作。當(dāng)與使用兩個(gè)單獨(dú)的功率級(jí)的實(shí)施電池備份系統(tǒng)的傳統(tǒng)安排相比，一個(gè)單一的雙向功率級(jí)實(shí)施顯著減少了組件的數(shù)量。

使用單個(gè)雙向功率級(jí)的另一個(gè)好處是，可以非?？焖俚貙?shí)現(xiàn)從充電到放電的模式轉(zhuǎn)換，這可以減少DC總線處的大容量電容器(保持時(shí)間)要求。

有許多拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可用于蓄電池備用子系統(tǒng)。電池電壓從最低充電到完全充電的范圍很廣。為了獲得更好的效率，電池組的選擇應(yīng)使電池額定電壓等于直流母線電壓。這意味著充電器的輸出電壓在電池最小充電時(shí)低于輸入電壓，在電池完全充電時(shí)高于輸入電壓。因此，充電器需要在電池最小充電時(shí)提供降壓功能，當(dāng)電池完全充電時(shí)需要提供升壓功能。另一方面，當(dāng)工作在備用模式時(shí)，轉(zhuǎn)換器需要在電池完全放電時(shí)提供升壓功能，在電池最小放電時(shí)提供降壓功能。

PMP 21529的設(shè)計(jì)是這樣一個(gè)雙向的DC-DC功率轉(zhuǎn)換器，專門為電池后備系統(tǒng)設(shè)計(jì)，電池電壓范圍超過(guò)直流母線電壓。

該設(shè)計(jì)可以從直流母線對(duì)鋰離子電池組進(jìn)行充電。當(dāng)主電源關(guān)閉時(shí)，設(shè)備將從鋰離子電池組無(wú)縫地將電源傳輸?shù)紻C母線。本設(shè)計(jì)是基于UCD3138數(shù)字控制器控制的4開(kāi)關(guān)降壓升壓級(jí)。根據(jù)直流母線電壓和電池電壓的不同，變換器可以作為同步降壓變換器或同步升壓變換器工作，其中只有兩個(gè)開(kāi)關(guān)管進(jìn)行開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)損耗減少了一半。只有當(dāng)直流母線和電池電壓非常接近，然后轉(zhuǎn)換器作為一個(gè)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，其中所有四個(gè)開(kāi)關(guān)切換。

4開(kāi)關(guān)橋功率級(jí)實(shí)現(xiàn)高驅(qū)動(dòng)電流，快速開(kāi)關(guān)柵極驅(qū)動(dòng)器UCC27211A和IPB180N08S402ATMA1功率MOSFET。設(shè)計(jì)工作頻率在140kHz。

6.原理描述

6.1 充電模式：直流母線電壓>蓄電池電壓

當(dāng)直流母線電壓高于電池電壓時(shí)，Q3完全打開(kāi)，Q4完全關(guān)閉。Q1和Q2分別由在電池充電模式下，D和1-D控制，變換器成為同步降壓變換器，如圖所示。

6.2 充電模式：直流母線電壓<蓄電池電壓

在電池充電模式下，當(dāng)直流母線電壓低于電池電壓時(shí)，Q1完全打開(kāi)，Q2完全關(guān)閉。Q4和Q3分別由D和1-D控制，變換器成為同步升壓變換器，如圖所示。

6.3 充電模式：直流母線電壓=蓄電池電壓

在蓄電池充電模式下，當(dāng)直流母線電壓接近蓄電池電壓時(shí)，Q1和Q4由D控制，Q2和Q3由1-D控制。轉(zhuǎn)換器成為同步降壓一升壓轉(zhuǎn)換器，如圖所示。

6.4 備用模式：直流母線電壓>蓄電池電壓

在備用模式下，當(dāng)直流母線電壓高于蓄電池電壓時(shí)，Q3完全開(kāi)啟，Q4完全關(guān)閉。Q2和Q1分別由D和1-D控制，變換器成為同步升壓變換器，如圖所示。

6.5 備用模式：直流母線電壓<蓄電池電壓

當(dāng)直流母線電壓低于蓄電池電壓時(shí)，Q1被完全打開(kāi)，Q2被完全關(guān)閉。Q3和Q4分別由在備用模式下，D和1-D控制，變換器成為同步降壓變換器，如圖所示。

6.6 備用模式：直流母線電壓=蓄電池電壓

在備用模式下，當(dāng)直流母線電壓接近蓄電池電壓時(shí)，Q2和03由D控制，Q1和Q4由1-D控制。轉(zhuǎn)換器成為同步降壓一升壓轉(zhuǎn)換器，如圖所示：

6.7 運(yùn)行模式與直流母線電壓和蓄電池電壓的關(guān)系

在電池充電和備用模式下，4開(kāi)關(guān)功率級(jí)根據(jù)直流總線和電池電壓改變其工作模式，如圖所示。為了防止模式反彈，在降壓和降壓-升壓模式之間以及降壓-升壓和升壓模式之間添加了滯后。

6.8 電池放電原理

PMP21529是為使用鋰離子電池而設(shè)計(jì)的。鋰電池充電器必須在恒流(CC)或恒壓(CV)模式下工作。初始充電是在一個(gè)恒定的電流和電池端電壓穩(wěn)定地增加到幾乎全電壓。此時(shí)電池的電量約為85%。這部分周期約占總周期時(shí)間的40%。然后充電器改變到恒定電壓，以提供剩余的20%左右的電荷。當(dāng)電流降低到額定電流的3%到5%之間時(shí)，就達(dá)到了完全充電。 這種電池沒(méi)有“浮動(dòng)”充電階段，而是在端電壓下降時(shí)定期充電。過(guò)充會(huì)損壞電池。圖顯示了鋰離子電池通過(guò)恒流、恒壓和充電階段時(shí)的電壓和電流信號(hào)。