针对智能电网解决方案中的储能元件优化的DC/DC转换器

　　DC/DC转换器是可再生能源生产和存储单元管理的核心要素。在可靠性和安全性方面提出了许多要求，其设计是一项具有挑战性的任务，需要满足许多竞争要求。在本文中，我们将寻求一种解决方案，该解决方案将这些问题的答案组合在一个设备中。

　　能源转型正在兴起。风能或光伏能源等可再生能源的比例正在增长。相反，必须随时保证稳定的电力供应和可用性。这一不可否认的事实提出了未来分散式能源系统中的储能问题。以电流或电压的形式存储能量意味着使用更高的电压水平，以便从更高的效率中受益。因此，需要功能强大的DC/DC转换器将电压降低到另一个水平，以便为控制电子设备提供辅助电压（图1）。另一方面，通往智能电网的道路，能够在需要时检索能源，需要全天候的可用性。监控功能、控制单元功能以及与能源供应公司的通信模块必须可靠地工作，用于储能元件以及一次能源生产本身：例如，产生高达
3000 V 电压的风力涡轮机需要启动基础电源电压。因此，DC/DC转换器可以在乡村的任何地方找到。

　　图1.应用中的直流/直流转换器。

　　高要求保证了最大的电网稳定性

　　DC/DC转换器广泛用于当今的电气设备，它们在家用或娱乐电器的使用中是必不可少的。但是，在大多数情况下，这些器件设计用于低电压范围。它们通常从线路电压电平向下转换为
5V、15V 或
24V。因此，它们是针对这种特定的操作条件而设计的。他们必须考虑与日照、冷却和可靠性问题有关的许多限制。鉴于输入范围有限，这些挑战很容易应对。

　　但考虑到现在用于MVDC（medium voltage
DC）应用，如储能元件或可再生能源工厂，要求正在增加。出于安全原因，绝缘变得越来越重要，因为输入电压可能高达1000V、2000V，对于某些用例甚至更高。相反，电压越高，保证所用材料的防日照结构的过程就越困难。此外，鉴于电网中供应安全的重要性，需要最大的可靠性。考虑到当今能源网非常复杂的相互依赖性，这种集成在供应线路中任何地方的DC/DC模块的故障可能导致整个系统的崩溃，对消费者产生所有负面影响。总之，必须找到可靠的解决方案来限制EMC影响并确保电流分离。然而，此类器件的工作条件远不能与传统DC/DC转换器相媲美，例如为低压环境设计的反激式转换器。可再生能源被带到当地条件最有利的地方，如山区或其他极端条件盛行的地区。因此，必须考虑高海拔、腐蚀性冲击和不方便的温度。另一方面，效率问题具有高度优先地位。那么，在实际条件下，这对这样的MVDC应用意味着什么？

　　在寄生元素的轨道上

　　按照更高的电压对储能应用有益的逻辑，因为能量与电压平方成正比，让我们看一个关于上述DC/DC转换的小例子。我们采用等式W = 1/2 x C x
U2作为基础。然而，在实际应用中，无法避免转换过程中的功率损耗。在大多数情况下，压降调节不再是选项。因此，将时钟电压以将功率从初级侧传输到次级侧，以限制这些损耗。无论如何，寄生元件会干扰这种应用的效率，因为初级侧和次级侧之间的距离会增加。寄生元件遍布导致DC/DC转换的整个过程。有一定数量的附加元件可以发挥作用，如晶体管、散热器、变压器本身和二极管：

　　考虑到典型的反激式转换器，我们必须接受当晶体管切换片刻时寄生容量会重新充电。当由于时钟而切换晶体管时，电容器会短路放电并释放热量。让我们看看为低压应用设计的
DC/DC 转换器与为 MVDC 环境设计的转换器在使用上有何不同。

　　功率损耗达到更高维度

　　通过电路设计优化损耗

　　现在让我们看看其他类型的转换器。例如，可以使用正激转换器而不是反激式转换器。由于使用电流存储扼流圈（L），这种结构将遵循不同的原理。

　　尽管如此，使用简单的正激转换器会在效率方面带来其他缺点。使用桥式拓扑将是优化电路设计的另一个可能步骤。这种选择还允许使用具有扩展性能范围的推挽式转换器。使用全桥拓扑（图2），我们必须考虑到实现电路需要四个晶体管，但我们没有反激式转换器反射电压引起的负面影响：

　　现在转到仅使用两个晶体管的半桥拓扑，我们将意识到损耗仅为先前设计的一半：

　　\［P_{loss，par}=2\times\frac{1}{2}\times
250pF\times（1000V）^{2}\times\frac{1}{16 \mu s}\approx 15 W\］

　　尽管如此，参考 MVDC 上下文，它们仍然占据了所需性能的相当一部分。

　　按照这些例子，寄生元件引起的功率损耗因使用的拓扑结构而异，但无论如何它们都会上升到输出功率的近6-12%。因此，为了使器件以更有效的方式工作，减少这些寄生元件具有很高的优先级，但修改电路设计只是答案的一部分。另一种可能性是降低开关频率，但这会带来输入电压范围的限制，并会损害元件尺寸。这同样适用于通过添加冷却风扇和较厚的铝制散热器等元件来优化温度应力。在任何情况下，为了满足可靠性、EMC或防风雨方面的要求，还必须添加大量附加模块：必须强调的是，不可能应用标准组件。然而，许多进入可再生能源解决方案领域的DC/DC转换器生产商尚未面临这些问题，因为他们专门从事低压应用，而问题并不那么重要。因此，潜在的能源供应商首先必须通过一个接一个地组装必要的元素来开发自己的系统，这是一个漫长而开发密集型的过程。