如何生产 10 kW 双向 AC/DC 转换器

处理双向（从交流到直流以及从直流到交流）10 kW 功率在技术上颇具挑战性，但理解可用的拓扑和技术可以让这项工作变得更容易。在开始任何项目时，应该始终先问问自己“需求是什么”，然后再思考“应该如何构建方案”。有许多项目以错误的方式开始，他们认为：只要生产出来，总会有人来购买。尽管这个概念在 1989 年的电影《梦幻成真》里奏效，但在实践中鲜有成功。所以，我们先来看看高功率双向 AC/DC 转换器的目标群体，接着了解最新进展如何让此类设计在商业上更具可行性，随后再进一步探讨细节。

如果您查阅文献，就会发现双向电源的原型设计和评估板随处可见。为什么突然开始对双向电源感兴趣？主要原因之一是电动汽车，或者更确切地说，是作为可再生能源存储介质的电池组。

目前，可再生能源在许多国家/地区都是热门话题：它是美国增长最快的能源，从 2000 年到 2018 年增长了 100%。尽管不到十年前超过 75% 的电力来源于化石燃料，但英国去年零碳能源的发电量首次超过了燃料发电站。此外，RECOM Power 中性能源总部的所在地奥地利处于欧洲绿色能源项目的前沿，其约 72% 的电力需求来自零碳来源。不过，并非每个国家/地区都有可将核电站隐蔽在人们视线之外的漫长海岸线，或者拥有方便发电的当地雪山和湖泊。大多数国家/地区必须依赖风能、太阳能或小规模河流水力发电，这些来源无法始终保持稳定可靠，因为夏季较低的河流水位会限制河流发电，而且电力需求高峰经常出现在无风的白天或夜晚。

当然，确保连续供电的解决方案之一是利用电动汽车 (EV) 电池中存储的组合电力，来帮助平衡所谓的车辆到电网 (V2G) 系统中的供应和需求。在未来十年内，仅德国就可能拥有约七百万辆电动汽车，每辆车的车载电池容量介于 20-100 kWh 之间。即使在任何时候只有 20% 的容量可用，总量也能达到 140 GW，这比 100 个核电站的容量还要大。

V2G 系统成功的关键在于将双向能量流与人工智能 (AI) 相结合。大多数车辆超过 95% 的时间处于停放状态。当车主上班时，如果将一辆电动汽车插入充电站，电动汽车可以决定是继续为电池充电，还是在高峰时段将其存储的部分电量释放回电网，从而根据已知或预测的使用模式调整其充电状态。由于大多数汽车每天行驶的里程不超过 37 公里，因此并不需要总是将车辆充满电，甚至在每天的开车时间之间保持充满电的状态。但要做到这一点，就需要一个双向充电器/市电逆变器来双向传输电力。请注意，双向充电站不需要智能化；必要的处理能力已经集成到电动汽车内置的 AI 系统中。

在确定可能需要数百万个双向 AC/DC 电源才能满足到 2030 年电动汽车的预期增长需求后，下一步是询问制造这些电源是否具有商业可行性。有两项相对较新的发展成果使双向设计变得更加简单，实现成本也更低：第一项是引入特别适合双向电流流动的全新拓扑结构；第二项是碳化硅 (SiC) 大功率开关晶体管等新技术的成熟，与成熟稳定的绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 技术相比，前者的价格更具竞争力，效率也明显更高。

单向 AC/DC 电池充电器已经上市多年。它们通常使用以下布置，并且拥有一些专有的变化：


市电电池充电器本质上是由 AC/DC 转换器（PFC 级）、DC/AC 转换器（变压器驱动器级）、AC/DC 转换器（整流器和输出滤波器级）和电池充电接口依次级联而成。针对不同的电池电压和功率水平，变压器驱动器级可以灵活采用单端、推挽式、相移全桥或 LLC 拓扑结构。但是，几乎所有的电池充电器应用都需要在输入端配备功率因数校正电路，并且需要采用某种形式的电池接口，从而实现反极性保护，同时确保充电电压和电流曲线符合电池电芯的化学特性。

为了实现双向设计，可以在现有原理图上并联一个逆变器级：


不过，在使用现有元器件时，这种增加双向特性的方式效率低下，而且因需要两个变压器而导致成本显著增加。如果市场需要数百万个双向电源，那么每个电源的成本就成为一个极其重要的因素。更好的解决方案是使用只有一个隔离变压器的固有双向拓扑。


要了解这种产品的设计考虑因素，我们可以依次分析每个级，将传统的单向拓扑与双向替代方案加以比较。由于我们期望电源可以双向工作，因此可以从末端开始，因为末端也可以成为首端。