隔離式雙向功率轉(zhuǎn)換器的數(shù)字控制

簡介

模塊化電池儲能系統(tǒng)(ESS)有助于可再生電力的有效利用，因而是構(gòu)建綠色能源生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。梯次利用電池ESS應(yīng)用日趨廣泛。在這個子市場中，預(yù)計高達80%的廢棄電池會用于ESS，在固定電網(wǎng)服務(wù)中煥發(fā)新生，從而將電池的使用壽命從5年延長到15年。預(yù)計到2030年，這些系統(tǒng)會給電網(wǎng)增加1 TWh的容量。1在不久的將來，這種新興應(yīng)用必將在能源市場中變得更加重要。

典型實現(xiàn)方案是將不同電池模組堆疊起來，通過功率轉(zhuǎn)換器將其能量傳輸?shù)郊惺浇涣骰蛑绷髂妇€（隨后以某種形式將能量分配給負載）。此類系統(tǒng)的挑戰(zhàn)在于，每個模組具有不同的化學(xué)組成、容量和老化曲線。在傳統(tǒng)的模塊化拓撲中，最弱的模組會影響整個電池堆的總可用容量（圖1）。

圖1 模塊化ESS的挑戰(zhàn)

圖2 基于電池的模塊化ESS

為了解決這一限制，在圖2所示的架構(gòu)中，電池堆中的能量通過每個電池模組的單獨DC-DC轉(zhuǎn)換器傳輸?shù)焦仓虚g直流母線。然后，該能量通過主功率轉(zhuǎn)換器支持集中式中壓(MV)交流或直流母線。圖2中的電壓和功率水平是根據(jù)市場上ESS的典型數(shù)據(jù)選擇的：48 V電池模組、400 V (DC)中間直流母線、20 kW以上（高功率）主功率轉(zhuǎn)換器以及高達1500 V的集中式母線2。

在圖2中，電池堆中每個模組的接地基準不同，因此需要通過隔離讓每個電池模組實現(xiàn)單獨的DC-DC轉(zhuǎn)換器。此外，為了支持梯次利用電池ESS等混合系統(tǒng)，每個轉(zhuǎn)換器還必須能夠雙向傳輸功率。這樣，就能輕松實現(xiàn)每個模組的獨立充放電以及電荷平衡。因此，本文討論的應(yīng)用核心模塊是DC-DC轉(zhuǎn)換器，它既是隔離的也是雙向的。

下面將說明，如何調(diào)整功率轉(zhuǎn)換專用的數(shù)字控制器（通常僅針對單向功率傳輸而構(gòu)建），使其支持雙向操作，這樣控制器就能作為一種良好的替代方案來安全可靠地實現(xiàn)所需類型的DC-DC轉(zhuǎn)換器。

功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用的專用數(shù)字控制器

對于高功率DC-DC轉(zhuǎn)換器（大于1 kW）中開關(guān)器件的控制，數(shù)字控制是當前的工業(yè)標準，而且它通?；谖⒖刂破鲉卧?MCU)。3盡管如此，由于各種工業(yè)應(yīng)用更加重視功能安全(FS)，因此使用專用數(shù)字控制器可能更有優(yōu)勢。從系統(tǒng)設(shè)計的角度來看，更簡單的功能安全認證可以簡化設(shè)計過程，從而縮短總體開發(fā)時間，更快獲取收益，因此在模塊化實施中特別有利。

專用數(shù)字控制器優(yōu)于MCU的一些原因概述如下4。

■   微控制器依賴于軟件，包含的狀態(tài)數(shù)量較多，被認為不穩(wěn)定，因此在IEC 61508標準制定之前，安全系統(tǒng)中不允許使用微控制器。MCU的大量“功能安全”工作都在軟件開發(fā)階段。

■   除了軟件之外，MCU本身也必須經(jīng)過認證。

■   雖然專用數(shù)字控制器（作為可配置設(shè)備）仍然是數(shù)據(jù)驅(qū)動的，但其配置過程使用有限可變語言(LVL)，而不是MCU特有的完全可變語言(FVL)。

■   作為順序數(shù)字機，專用數(shù)字控制器的功能可以通過測試全面驗證，而這對于MCU中的軟件來說一般是不可能的。因此，當使用專用控制器時，設(shè)備會集成核心安全功能。

■   與專用控制器中的集成安全功能相比，MCU實現(xiàn)方案中增加的安全功能可能需要相當多的額外硬件。當使用故障模式、影響和診斷分析(FMEDA)時，額外的硬件往往會增加系統(tǒng)級別的復(fù)雜性。

■   使用專用控制器時，額外的安全性（如果需要）可以通過外部MCU（通常在系統(tǒng)級別提供）獲得。

ADI公司的ADP1055是一款專為隔離式DC-DC高功率轉(zhuǎn)換而設(shè)計的數(shù)字控制器，提供了一系列功能來提高效率和安全性。這些功能包括：可編程過流保護(OCP)、過壓保護(OVP)、欠壓保護(UVLO)和過溫保護(OTP)。與市場上許多現(xiàn)成的等效器件一樣，該控制器設(shè)計用于單向能量傳輸，即FPT。為了實現(xiàn)雙向操作，使用該控制器的應(yīng)用必須進行調(diào)整，以便也能在RPT下工作。下一部分將探討對FPT和RPT模式都很重要的一個方面，即目標DC-DC轉(zhuǎn)換器的效率，在調(diào)整過程開始之前必須了解這一點。

圖3 功率轉(zhuǎn)換拓撲仿真：標準操作中的(a)模型和(b)效率

實現(xiàn)高效能量轉(zhuǎn)換

在各種隔離式雙向直流功率傳輸技術(shù)中，圖3a中的架構(gòu)因其實現(xiàn)簡單而成為商業(yè)上最常用的架構(gòu)之一5。

表1 仿真研究參數(shù)

這種拓撲既可以看作是FPT中的電壓饋送全橋到中心抽頭同步整流器，也可以看作是RPT中的電流饋送推挽式轉(zhuǎn)換器到全橋同步整流器。為了說明應(yīng)用的常見挑戰(zhàn)，圖中顯示了一個典型用例，其初級（直流母線）為400 V (DC)，次級（電池模組）為48 V (DC)，功率水平大于1 kW。使用LTspice?對開關(guān)頻率為100 kHz的典型寬帶隙(WBG)功率器件的操作進行仿真。仿真使用的參數(shù)如表1所示。

圖3b中的結(jié)果顯示，當使用常規(guī)硬開關(guān)(HS) PWM時，較高功率水平下的效率迅速下降。將RPT與FTP進行比較時，這一點更加突出。為了改進操作，我們確定了兩種主要損耗機制，通過下文說明的相應(yīng)開關(guān)技術(shù)可以降低損耗。

■   軟開關(guān)：圖4a顯示在這種低漏感設(shè)計中，當使用常規(guī)PWM時，初級開關(guān)MA和MB在無源到有源開關(guān)轉(zhuǎn)換過程中不會快速關(guān)斷。這種狀況會在整個系統(tǒng)中產(chǎn)生較高的開關(guān)損耗。在這種情況下，使用相移(PS) PWM（亦稱零電壓開關(guān)(ZVS)或軟開關(guān)）有助于在這些轉(zhuǎn)換期間將漏源電壓降至零。為此，我們可以提供與負載相關(guān)的適當死區(qū)時間，使得開關(guān)的漏源電容可以完全放電。應(yīng)用相移的結(jié)果如圖4b所示。

■   有源箝位：圖5a顯示在次級開關(guān)MR1和MR2關(guān)斷期間，在其漏源電壓上觀察到很大的尖峰和振鈴。這些瞬態(tài)事件會危及開關(guān)的完整性，浪費能量，并導(dǎo)致電磁干擾(EMI)。使用附加開關(guān)（例如圖3中的M_CLAMP）實現(xiàn)數(shù)字控制有源箝位是減輕該尖峰負面影響的較佳備選方案6。這樣可以進一步提高該架構(gòu)的效率。應(yīng)用某種形式有源箝位的結(jié)果如圖5b所示。

實施這些策略后，5 kW時RPT模式下的轉(zhuǎn)換器效率從不足80%提高到90%以上。這些仿真研究也預(yù)測到FPT和RPT具有相似的效率，如圖3b所示。

為了實現(xiàn)這些開關(guān)功能，ADP1055提供6個可編程PWM輸出以形成開關(guān)時序，并提供2個可配置為有源箝位吸收器的GPIO。這兩種功能都可以在用戶友好的GUI中輕松編程實現(xiàn)。有關(guān)該數(shù)字控制器的這些和其他功能的優(yōu)勢，請參閱ADP1055-EVALZ用戶指南，其中考慮了標準FPT應(yīng)用。

確定實現(xiàn)可行效率水平的機制（對于本應(yīng)用的FPT和RPT模式均適用）后，接下來我們探討如何調(diào)整以適應(yīng)RPT。

圖4 初級開關(guān)無源到有源轉(zhuǎn)換：(a) HS PWM，(b) PS PWM

圖5 初級開關(guān)無源到有源轉(zhuǎn)換：(a) HS PWM，(b) PS PWM

適應(yīng)反向功率傳輸

為了演示所研究的應(yīng)用在RPT下的運行情況，我們創(chuàng)建了低壓(LV)實驗裝置進行概念驗證。此裝置基于ADP1055-EVALZ用戶指南中的硬件，最初設(shè)計用于48 V_DC至12 V_DC/240 W FPT的標準情況，使用ADP1055作為主控制器，開關(guān)頻率f_SW = 125 kHz。為了適應(yīng)RPT操作，需要適當修改硬件和軟件。圖6（上）顯示了針對此任務(wù)的信號鏈硬件部分，其重點如下：

圖6 信號鏈利用專用數(shù)字控制器來適應(yīng)RPT

■   使用兩個匹配的隔離式半橋柵極驅(qū)動器ADuM3223來導(dǎo)通和關(guān)斷四個初級開關(guān)。這些驅(qū)動器的精密時序特性（隔離器和驅(qū)動器最大傳播延遲為54 ns）可準確地將控制信號反映到PWM中。

■   ADP1055-EVALZ用戶指南中的隔離電源單元經(jīng)過重新接線，并補充了一個輔助精密LDO (ADP1720)，以適應(yīng)系統(tǒng)中的兩個接地基準，并為應(yīng)用中的所有不同IC供電。

■   在測量部分，分流電阻上的電流測量端子發(fā)生交換，以便在控制器的端子CS2+和CS2-上以正確的方向測量整個轉(zhuǎn)換器的變壓器次級的輸出電流。

■   最后，隔離式放大器ADuM4195用于安全、準確地測量直流母線電壓。在RPT模式下，直流母線電壓是輸出變量，而在FPT模式下，電池側(cè)電壓是受控輸出。

基于ADuM4195的測量方案是對控制環(huán)路硬件的一項重要補充。除了安全的5 kV隔離電壓（從高壓初級側(cè)到低壓控制側(cè)）、多達4.3 V的寬輸入范圍以及精度約為0.5%的基準電壓外，ADuM4195還有高達200 kHz的最小帶寬。與典型的并聯(lián)穩(wěn)壓器和光耦合器解決方案相比，它支持實現(xiàn)更快的環(huán)路操作，從而提供更好的瞬態(tài)響應(yīng)，這對于應(yīng)用在125 kHz開關(guān)頻率下的運行至關(guān)重要。圖7顯示了最終的實驗裝置，圖6中增加的硬件在基于ADuM4195的測量子卡中實現(xiàn)，該子卡已添加到ADP1055-EVALZ用戶指南中的原始評估板中。

圖7 RPT概念驗證的實驗裝置

圖6（下）還描述了為適應(yīng)RPT在軟件方面的配置。我們深入研究了數(shù)字控制系統(tǒng)。結(jié)果通過流程的描述塊進行總結(jié)說明，如下所示：

■   通過更改PWM設(shè)置，使占空比變化與次級電感充電成比例，來實現(xiàn)正確的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。這是根據(jù)該架構(gòu)在RPT模式下的升壓型操作而得出的。

■   我們采用ADP1055-EVALZ用戶指南中設(shè)計的LCL輸出濾波器，通過交流小信號等效電路技術(shù)來確定設(shè)備在拉普拉斯域中的轉(zhuǎn)換函數(shù)G_p(s)⁷。與FPT不同，設(shè)備在RPT下的響應(yīng)是具有右側(cè)零點(RHZ)的二階系統(tǒng)的響應(yīng)，這是升壓轉(zhuǎn)換器在CCM下的典型響應(yīng)。請注意，這種類型的系統(tǒng)本質(zhì)上不穩(wěn)定，需要減少誤差放大器的帶寬。

■   利用MATLAB^? System Identification Toolbox，根據(jù)用作隔離跟隨器的ADuM4195的頻率響應(yīng)，對反饋測量Gm(s)進行建模（圖8）。經(jīng)確認，主導(dǎo)極點在200 kHz左右，可確保在控制系統(tǒng)的目標帶寬（250 kHz可觀測雙頻的10%左右）之上仍能提供快速響應(yīng)。

圖8 ADuM4195的頻率響應(yīng)

■   我們選擇在控制器的標準數(shù)字補償器中添加一個極點，以減少整體控制系統(tǒng)的帶寬，這在這種非最小相位升壓式轉(zhuǎn)換器設(shè)備中是必要的。因此，我們使用公式1中的數(shù)字控制器（常數(shù)定義參見ADP1055用戶指南）。

為將分析保持在拉普拉斯域內(nèi)，我們根據(jù)數(shù)字控制理論創(chuàng)建了G_c(z)的連續(xù)時間模型G_c(s)⁹。因此，首先添加一個計算延遲(× z^-1)，而連續(xù)時間中的最終表示通過如下方式實現(xiàn)：利用(a) Tustin近似和(b) Padé 近似模擬離散 PWM (DPWM) 延遲 (T_sa/2=1/4f_sw)，使得：

■   最后，為了設(shè)計一個穩(wěn)定的響應(yīng)，我們利用MATLAB Control System Designer作為常規(guī)連續(xù)時間控制環(huán)路，研究了開環(huán)轉(zhuǎn)換函數(shù)Gol(s) = Gp(s) Gm(s) Gc(s)。

由此可以觀察到，如果使用與FPT相同的控制常數(shù)，RPT下的響應(yīng)將不穩(wěn)定。因此，正確設(shè)計G_c(s)中常數(shù)的最終值對于確保運行可靠至關(guān)重要。一旦通過設(shè)計實現(xiàn)了穩(wěn)定的開環(huán)轉(zhuǎn)換函數(shù)，控制器就會變換回數(shù)字域。圖9（左）顯示所設(shè)計的數(shù)字濾波器的頻率響應(yīng)G_c(z)，利用圖9（右）中ADP1055的GUI可以通過圖形化方式輕松配置該濾波器。

我們還配置了上一節(jié)中研究的提高效率功能（具有自適應(yīng)死區(qū)時間和有源箝位的PS PWM）。實驗發(fā)現(xiàn)，為了在RPT的有源到無源轉(zhuǎn)換中實現(xiàn)適當?shù)腪VS，有必要修改PWM序列中的死區(qū)時間。具體來說，我們修改了次級開關(guān)的導(dǎo)通時間點，使其發(fā)生在每次有源到無源轉(zhuǎn)換間隔之前，以允許電流反向9。

測試表明適應(yīng)RPT的修改工作是成功的，從12 V次級輸入獲得了48 V初級輸出。對于負載和輸入電壓變化，輸出電壓調(diào)節(jié)都很出色，相對標準差(RSTDEV)分別為0.1%和0.02%，如圖10a所示。圖10b和圖10c分別顯示了轉(zhuǎn)換效率和對50%負載變化的階躍響應(yīng)。兩種情況下，RPT模式下的效率水平都與FPT模式相似，在中等功率范圍內(nèi)的峰值效率為94%。階躍響應(yīng)參數(shù)（過沖和建立時間）在RPT模式下為(1%; 1.5 ms)，而在FPT模式下為(2%; 800 μs)。我們觀察到，較低的過沖，稍慢的建立時間，構(gòu)成穩(wěn)定的瞬態(tài)響應(yīng)。這些結(jié)果證明，調(diào)整數(shù)字控制器以支持雙向功率傳輸?shù)脑O(shè)計過程是有效和成功的。

結(jié)論

為在能源市場中實現(xiàn)安全可靠的應(yīng)用，采用功率轉(zhuǎn)換專用數(shù)字控制器是一種不錯的備選方案。這是因為，與微控制器相比，數(shù)字控制器有助于簡化功能安全認證，從而縮短系統(tǒng)級設(shè)計時間，更快地獲取收益。這些器件通常是針對單向功率傳輸構(gòu)建的，本文探討了如何進行修改以支持雙向操作。通過理論模型、仿真和實驗研究展示了隔離式雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器在基于電池的ESS中的應(yīng)用。結(jié)果驗證了該應(yīng)用的可行性，兩個方向的能量傳輸實現(xiàn)了相似的性能。

圖9 ADP1055上配置的數(shù)字濾波器響應(yīng)

圖10 RPT模式下得到的(a)輸出電壓調(diào)節(jié)、(b)效率和(c) 50%負載階躍響應(yīng)

參考資料

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關(guān)于作者

Juan Carlos Rodríguez博士于2009年獲得厄瓜多爾軍事理工學(xué)院（厄瓜多爾基多）電氣工程學(xué)士學(xué)位，并于2011年和2017年分別獲得RMIT大學(xué)（澳大利亞墨爾本）碩士學(xué)位和博士學(xué)位。從利默里克大學(xué)（愛爾蘭）獲得博士后職位后，他于2019年加入ADI公司，從事隔離式電源應(yīng)用和可再生能源工作。他的工作領(lǐng)域包括工業(yè)自動化、智能電網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的能量收集以及可持續(xù)電力的電源電子轉(zhuǎn)換。

(注：本文登載于EEPW 2023年10月期)