基于恩智浦DSC數(shù)字控制器的隔離雙向DCDC參考設(shè)計方案
在典型的電池充放電應(yīng)用場景中,隔離雙向DCDC變換器用于實現(xiàn)電池充電曲線控制和電池母線間的雙向電能變換,同時實現(xiàn)電網(wǎng)和電池間的電氣隔離。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202408/462370.htm本文簡要介紹基于DSC的隔離雙向DCDC變換器參考設(shè)計。該方案拓撲為CLLC諧振變換器,可在全負載范圍實現(xiàn)軟開關(guān)。主控芯片采用DSC MC56F83783數(shù)字信號控制器,幫助實現(xiàn)靈活高效的數(shù)字電源控制。
方案概括
■ 基于CLLC諧振變換器實現(xiàn)高效的雙向電能變換
■ 高壓端口電壓:370-390V,低壓端口電壓:40-60V,額定功率800W
■ 充電模式峰值效率高于96%,放電模式峰值效率高于97%
■ 開關(guān)頻率范圍:100-180kHz,諧振頻率:150kHz
■ 高精度PWM幫助實現(xiàn)精準(zhǔn)的開關(guān)電源控制
■ 基于DSC特色外設(shè)的有源同步整流控制策略
■ 變頻+移相+打嗝模式的混合調(diào)制策略,優(yōu)化變換器在寬電壓范圍應(yīng)用場景中的效率
■ 基于RTCESL實現(xiàn)2P2Z控制器,在幫助變換器實現(xiàn)更佳動態(tài)特性的同時,提高代碼運行效率
■ 在充電模式下,實現(xiàn)變換器的恒壓/恒流輸出控制
■ 模塊化的功率母板和控制子卡,便于客戶評估不同系列DSC
■ 基于FreeMASTER實現(xiàn)變換器的工作模式控制和工作狀態(tài)觀測
■ 過流、過欠壓和過溫保護功能
同步整流策略
該方案中同步整流通過檢測整流管漏源極電壓實現(xiàn)。由于電流流過整流管溝道時的壓降遠小于整流管體二極管壓降,因此通過判斷漏源極電壓值大小,便可確定同步整流管的開關(guān)狀態(tài)。
同步整流主要基于DSC片上外設(shè)(CMP,EVTG,QTMR,PWM,XBAR)實現(xiàn),僅需少量外部器件。CMP為DSC內(nèi)部集成的帶窗口功能的比較器,VR為CMP內(nèi)部DAC產(chǎn)生的電壓基準(zhǔn)信號。CMP用于檢測整流管漏源極電壓,其輸出用于產(chǎn)生同步整流驅(qū)動信號。
該方案中應(yīng)用兩種策略,以提高同步整流的可靠性。一方面,同步驅(qū)動信號vS6由比較器輸出vcmp和PWM輸出vS2_D經(jīng)過“與”運算獲得,從而避免潛在震蕩引起的整流橋臂直通問題;另一方面,在vcmp翻轉(zhuǎn)后,QTMR將輸出一段低電平信號,低電平持續(xù)時間可通過配置QTMR調(diào)節(jié)。QTMR輸出信號稱為“窗口信號”,通過XBAR連接至CMP。在窗口信號為低電平時,即使vB存在較大電壓震蕩,多次穿越VR值,vcmp不會翻轉(zhuǎn),從而避免同步驅(qū)動信號的誤動作。窗口信號為低電平的時段稱為消隱時間。
在該應(yīng)用中,EVTG用于實現(xiàn)片上信號間的邏輯運算,XBAR用于片上信號互聯(lián)。
調(diào)制策略
變頻調(diào)制(PFM)為諧振變換器主流調(diào)制策略,通過改變諧振腔阻抗調(diào)節(jié)變換器電壓增益。但是,當(dāng)開關(guān)頻率大于諧振頻率時,隨著開關(guān)頻率提高,電壓增益緩慢降低。在寬電壓范圍應(yīng)用中,僅采用變頻調(diào)制將導(dǎo)致開關(guān)頻率范圍很寬,因此不利于磁性元件的設(shè)計。
移相調(diào)制(PSM)通過改變諧振腔輸入電壓脈寬調(diào)節(jié)變換器增益。當(dāng)變頻調(diào)制無法快速調(diào)節(jié)變換器電壓增益時,調(diào)制策略由變頻調(diào)制切換為移相調(diào)制,可在減小開關(guān)頻率范圍的同時,實現(xiàn)寬電壓范圍的電能變換。
在空載或負載很輕的工況下,打嗝模式可幫助實現(xiàn)變換器輸出電壓穩(wěn)壓。另外,當(dāng)變換器工作在打嗝模式時,其等效開關(guān)頻率降低,因此輕載效率得以優(yōu)化。
變換器當(dāng)前調(diào)制策略由控制器輸出值決定。DSC片上的PWM模塊可方便實現(xiàn)PFM和PSM模式間的平滑切換。
軟起動策略
CLLC諧振變換器的軟起動由開環(huán)階段和閉環(huán)階段構(gòu)成。在開環(huán)階段,開關(guān)頻率保持為軟起動階段最高開關(guān)頻率。通過移相調(diào)制,等效占空比Dφ由設(shè)定初始值,按照固定的步長逐漸增大,直到Dφ等于0.5,移相調(diào)制切換為變頻調(diào)制。進入變頻調(diào)制后,Dφ保持為0.5,開關(guān)頻率按照設(shè)定步長逐漸減小,直至輸出端口電壓達到開環(huán)軟起動門限電壓,至此開環(huán)階段結(jié)束。進入閉環(huán)階段后,輸出端口電壓值已接近電壓基準(zhǔn),經(jīng)過電壓控制環(huán)路調(diào)節(jié),輸出端口電壓快速穩(wěn)定在電壓基準(zhǔn)值,軟起動結(jié)束。
實驗結(jié)果
下圖為隔離雙向DCDC變換器硬件平臺??刂谱涌℉VP-56F83783和功率母板采用子母卡形式,通過金手指連接。該設(shè)計方便用戶根據(jù)自身需求,評估不同系列的DSC產(chǎn)品。
下圖為變換器工作在充電模式和放電模式時的效率曲線,分別對應(yīng)低壓端口電壓為40V/50V/60V三種工況。
以上簡單介紹了恩智浦基于DSC數(shù)字控制器的隔離雙向DCDC參考設(shè)計方案。
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