双向供电模块让设计更自由

过去，电源系统设计师采用从左到右，即从电源到负载点的方法来设计供电网络（PDN）。这是设计师遵循了几十年的传统做法。本质上，我们一直是“右撇子”。想象一个我们可以左右开弓的世界将会如何，双手并用，从左到右或从右到左都可以。

目前，供设计师使用的模块化电源组件有两大关键属性：

•它们是有效且高效的“DC变压器”——也就是说，它们提供固定比率的DC-DC转换比

•它们本身支持双向供电

要发掘双向供电网络的潜力，重要的一点是要探索核心使能技术，了解正弦振幅转换器（SAC）的工作原理。告别从左到右的思维模式，让我们从中间开始；这里有一个变压器和一个串联电容，与变压器的漏电感保持谐振。

一侧有一个开关桥（switching bridge），通常会被视为一个斩波DC母线的直流输入，而另一侧的布局基本相同，可以被称为同步整流器。只要这两条路径与中心“储能器”的谐振波形同步切换，整个器件就是对称的，作用就像DC变压器。

电压根据磁性元件的匝数比升高，而电流降低——反之亦然。

一个端口上的阻抗变化会反映在另一个端口，电流会相应地流动。谐振、零电压和零电流切换确保了低损耗。谐振回路中储存的能量最少，通过转换器产生良好的瞬态响应，而MHz切换使所需的电感和电容又小又轻。

图2：使用V2H系统为家庭供电时直流双向充电器的基本能量流动图，以及用于测量电网能量流动的CT电表（图片来源：Clean Energy Reviews）。

V2X及其它领域的双向供电创新

今天，“车对电网”（V2G）和“车对家”（V2H）等新概念日渐普及。大多数情况下需要不同程度的调节，但配电网（PDN）并不是非常复杂。在V2G场景下，双向供电的好处是多方面的。V2G为提高电网稳定性和弹性铺平了道路。电动汽车可以连接到电网，用作移动储能单元。在能量需求高峰或意外停机期间，这些车辆可以反过来向电网供电，起到缓冲作用，减轻传统电源的压力。

交流电源插座的电动汽车的基本能量流动图，称为“车对负载”或V2L（图片来源：Clean Energy Reviews）。

这样就可以确保不间断电力供应，减少对辅助电站的需求（这些电站通常在需求高峰时段投入运行），从而大幅节约成本。此外，允许电动汽车车主将多余的电力卖回给电网，催生了一种新的经济模式。电动汽车车主可以将储存的能量变现，抵销部分购车用车成本，并推动电动汽车的进一步普及。

再看看V2H应用，双向供电预示着实现家庭能源独立和安全的一种新模式。随着极端天气条件和停电频率的增加，拥有一辆支持V2H功能的电动汽车，可以成为一条生命线。在这种情况下，家庭可以从电动汽车中获取电力供应，确保供暖或制冷等基本系统的正常运行。这样，电动汽车就成了一种备用电源，可以减少家庭对中央电网或通常使用化石燃料的独立发

图4：正弦振幅转换器（SAC）拓扑提供隔离和电压转换功能，允许您将这些功能部署在所需的位置，与稳压装置分开。

双向供电模块带来新的可能性

双向供电的巨大潜力正在汽车领域得到发掘。两个电源组件系列最有效地利用了双向供电功能。一是Vicor 母线转换器模块，即BCM，在两个电压轨之间提供隔离、固定比例的转换。另一个是非隔离版本，称为NBM，其它方面与BCM类似。后者在双向供电环境中更容易使用，因为它可以使用任一端口的电源“启动”（建立和稳定谐振开关）。如果需要隔离，使用BCM®，但这需要少量额外的电路，以提供从“二次侧”设备电源启动它所需的偏置。

参考文献：

《纽约时报》，2021年10月1日；Frost & Sullivan，2022年11月28日

作者介绍：

Matthew Jenks现任Vicor公司北美汽车销售和现场应用工程总监。Matthew拥有超过25年的汽车电子经验，涉及模块、电源电子元件、定制集成电路和半导体。他曾在多家一级和二级汽车公司担任销售、营销、工程和现场应用职位，包括英飞凌、意法半导体、国际整流器、伟世通和摩托罗拉等。Matthew从密歇根州立大学获得了电气工程专业学士学位。