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概要
電力電子行業(yè)正在經歷一場變革：DC 高壓配電重新崛起，取代先進機器設備的 AC 輸電系統(tǒng) [1]。一種模塊化 DC-DC 轉換器現(xiàn)已采用多種不同的封裝及電源形式提供，其可形成從低電壓系統(tǒng)到高電壓系統(tǒng)（工作電壓在 400 ~ 100V 之間）的橋接。實驗和可行性研究[1、4]為母線轉換器模塊 (BCM) 引擎與變壓模塊 (VTM) 引擎的新產品指明了方向。這兩款引擎均顯示了成熟的正弦振幅轉換器 (SAC) 技術。目前的工作重心是為應用雙向功率轉換認證零部件。這里將介紹 3 種工作拓撲變型。此外，本文還將簡要介紹早期實驗目的及結果，以及用于克服在 SAC 部件最新部署過程中所涉及的最新挑戰(zhàn)的相關技術。在本文的最后部分還將概括使用這一技術的應用實例。
1. 應用領域說明
1.1 動機
BCM 在過去十年間已經逐步顯著改善了效率[1]。與采用新封裝部署B(yǎng)CM 同步的趨勢是， 朝著使用SAC引擎（也稱之為VTM）的最新方式方向發(fā)展。SAC 是一種諧振、比例輸出、 恒定功率、 隔離式以及近乎理想的 DC-DC 變壓器拓撲。它能夠將功率吸入其二次端口， 從而可按照高達32的K參數(shù)一步提升所應用的二次電壓。此外，它還能夠以極低的功率損耗直接把二次端口接收到的絕大多數(shù)電能傳輸給一次端口。變壓比 K的倒數(shù)是一系列整數(shù)， 這些整數(shù)也正在隨著新產品的提供不斷擴展。未來產品所也將根據(jù)各種行業(yè)的發(fā)展趨勢支持不同級別的高壓到低壓的連接。
1.2 對最新 SAC 工作模式進行分類
本文將介紹與使用 SAC 引擎有關的三種最新拓撲類型（ 不包括常規(guī)工作方式： 正向模
式） ： 反向、 鏡像和雙向模式。需要指出的是， 要提高功率吞吐量，所有基于 SAC 的解決方案都可能會涉及許多并聯(lián)部件。因此如果在下文中提到模塊，可能也是指一系列完全相同的并聯(lián)器件。圖 1 是所有的拓撲及其控制方程式。
圖 1：SAC 應用拓撲選項。 以 f（正向）、 r（反向）或 b（雙向）電源轉換器方式工作的 SAC 在其一次電源端口與二次電源端口之間有隔離層?；疑珬l代表輸入與輸出電源端口間的 SAC 內建電流隔離層。
在反向模式下，電源應用于 SAC 的二次電源端口。在啟動后，SAC 會根據(jù)與特定模塊相關的 K 因數(shù)提升電壓。然后將該電壓提供給與其一次電源端口相連的負載。
兩個 SAC 引擎可以按鏡像模式使用。電源在第一個 SAC 單元中先做反向模式升壓處理，另一個與該單元通過一次端口接口連接的單元按正向模式工作，從而可將高電壓軌的電壓
降到客戶最終設備所需的電壓水平。
雙向模式只部署一個SAC，目的是在激勵后，該模塊既能正向供電，也能反向供電，具體取決于給定時刻主動驅動 SAC 的方式。
2.0 實驗及結果
2.1 建立反向模式工作
已經從針對穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)條件評估做出的兩個測試設置中收集到初步結果。 圖 2 是針對在工
作臺上進行長期測試而精心設計的穩(wěn)態(tài)實驗設備。
圖 2：BCM 啟動后在工作臺上處于穩(wěn)定工作狀態(tài)的反向BCM
在啟動之前， BCM 的二次電源端口為反偏置，即穩(wěn)態(tài)電壓應用于 BCM 的二次側， 在沒有任何不良后果的情況下，這是BCM可以承受的。BCM 隨后使用單向小電流高電壓電源（該電源足以偏置 BCM 內部的一次側參考的控制器）在一次側通電。實驗中使用的電源有大型電容器組，在 SAC 的一次側上運行負載之前，該電容器組可承受一些反向電流。使用該部件隔離層一次側上的控制器，在啟動 BCM 的時候需要延遲一次側的負載加載，防止大量一次電流涌入該負載。負載電流將在 BCM 啟動完成后加載。
在實際應用中，連接到BCM 的二次反偏置電源很可能是唯一可用的電源，可能需要使用
輔助功率級來提升BCM二次側的電壓，才能在不影響 BCM 隔離層的情況下以高得多的
電勢為其一次端口提供電荷。
圖 3 和圖 4 分別顯示了一次浪涌測試設置及結果。
圖 3：反向 BCM 瞬態(tài)測試設置
圖 4：瞬態(tài)測試結果。綠色跡線：100 倍衰減的升壓輸出； 紅色跡線： LV 母線電壓；橄欖綠跡線：受控二次側浪涌電流。
2.2 應用空間點評
根據(jù)第一實驗階段得出的結果， BCM 組件在汽車能量收集及自適應懸架系統(tǒng)概念驗證中得到了成功部署， 雙向 BCM 實施主要基于從第一階段實驗中獲得的經驗。
自從第一次演示以來，客戶已經分享了在系留式水下交通工具和空運設備中進行電力傳輸?shù)膶嶋H需求中的應用。
這些應用可使用從電源到負載的鏡像拓撲模式通過由細徑電線制作的高壓鏈路為長系索另一端的自主水下交通工具或無人機輸電。典型功率級范圍是1至2kW。圖5 Vicor白板中顯示的是一種空中應用示例。Vicor 白板是一款基于 Web 的工具，可通過 Vicor網站提供極大的客戶優(yōu)勢。這里描述的推薦替選方案可進一步豐富實驗證明效果良好的電源組件方法，其可提供設計模塊化、輕量級、高效率及高功率密度指標。
圖 5的空運輸電示例是在系索中使用高壓鏈路，該系統(tǒng)使用支持反向及正向模式工作的 BCM 實現(xiàn)。這是一個 SAC 反射拓撲示例，盡管它是采用單向電流工作模式也是如此。
3. 總結
本文介紹了以反向、鏡像及雙向拓撲模式使用 BCM 的應用，展示了一種實驗測試設備（用于驗證標準產品采用反向模式工作的一致性操作）的初步結果。此外，本文還介紹了兩個應用領域，一個是汽車再生制動／主動懸架系統(tǒng)領域，另一個則是系留無人機，從而為將最新 SAC 拓撲用于其它在該報告中還未嘗試的功率處理實際應用指明方向。
表 1：測試設置以及與圖 2 所示設置對應的計算
表 2：標準 BCM DC 啟動功能的測試結果
