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隔離式雙向功率轉(zhuǎn)換器的數(shù)字控制

作者:Juan Carlos Rodriguez(ADI功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)工程師) 時(shí)間:2023-09-15 來(lái)源:電子產(chǎn)品世界 收藏
編者按:本文探討隔離式雙向DC-DC功率傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)方案,即通過(guò)調(diào)整專用數(shù)字控制器,使其除了具有標(biāo)準(zhǔn)的正向功率傳輸(FPT)功能外,還支持反向功率傳輸(RPT)功能。文中將介紹系統(tǒng)建模、電路設(shè)計(jì)和仿真,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)理論概念進(jìn)行了驗(yàn)證。應(yīng)用表明,在兩個(gè)能量傳輸方向上,轉(zhuǎn)換效率始終高于94%。


本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/202309/450622.htm

簡(jiǎn)介

模塊化()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)。梯次利用電池應(yīng)用日趨廣泛。在這個(gè)子市場(chǎng)中,預(yù)計(jì)高達(dá)80%的廢棄電池會(huì)用于,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(zhǎng)到15年。預(yù)計(jì)到2030年,這些系統(tǒng)會(huì)給電網(wǎng)增加1 TWh的容量。1在不久的將來(lái),這種新興應(yīng)用必將在能源市場(chǎng)中變得更加重要。

典型實(shí)現(xiàn)方案是將不同電池模組堆疊起來(lái),通過(guò)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(fù)載)。此類系統(tǒng)的挑戰(zhàn)在于,每個(gè)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?fù)渲校钊醯哪=M會(huì)影響整個(gè)電池堆的總可用容量(圖1)。

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圖1 模塊化ESS的挑戰(zhàn)

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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(guò)每個(gè)電池模組的單獨(dú)DC-DC轉(zhuǎn)換器傳輸?shù)焦仓虚g直流母線。然后,該能量通過(guò)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(chǎng)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(dá)1500 V的集中式母線2。

在圖2中,電池堆中每個(gè)模組的接地基準(zhǔn)不同,因此需要通過(guò)隔離讓每個(gè)電池模組實(shí)現(xiàn)單獨(dú)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(gè)轉(zhuǎn)換器還必須能夠雙向傳輸功率。這樣,就能輕松實(shí)現(xiàn)每個(gè)模組的獨(dú)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(shuō)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(duì)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(lái)安全可靠地實(shí)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(duì)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(dāng)前的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn),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(shì)。從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度來(lái)看,更簡(jiǎn)單的功能安全認(rèn)證可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程,從而縮短總體開發(fā)時(shí)間,更快獲取收益,因此在模塊化實(shí)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(rèn)為不穩(wěn)定,因此在IEC 61508標(biāo)準(zhǔn)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(guò)認(rèn)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(dòng)的,但其配置過(guò)程使用有限可變語(yǔ)言(LVL),而不是MCU特有的完全可變語(yǔ)言(FVL)。

■   作為順序數(shù)字機(jī),專用數(shù)字控制器的功能可以通過(guò)測(cè)試全面驗(yàn)證,而這對(duì)于MCU中的軟件來(lái)說(shuō)一般是不可能的。因此,當(dāng)使用專用控制器時(shí),設(shè)備會(huì)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(shí)現(xiàn)方案中增加的安全功能可能需要相當(dāng)多的額外硬件。當(dāng)使用故障模式、影響和診斷分析(FMEDA)時(shí),額外的硬件往往會(huì)增加系統(tǒng)級(jí)別的復(fù)雜性。

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

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

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圖3 功率轉(zhuǎn)換拓?fù)浞抡妫簶?biāo)準(zhǔn)操作中的(a)模型和(b)效率

實(shí)現(xiàn)高效能量轉(zhuǎn)換

在各種雙向直流功率傳輸技術(shù)中,圖3a中的架構(gòu)因其實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)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)

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這種拓?fù)浼瓤梢钥醋魇荈PT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(shuō)明應(yīng)用的常見挑戰(zhàn),圖中顯示了一個(gè)典型用例,其初級(jí)(直流母線)為400 V (DC),次級(jí)(電池模組)為48 V (DC),功率水平大于1 kW。使用LTspice?對(duì)開關(guān)頻率為100 kHz的典型寬帶隙(WBG)功率器件的操作進(jìn)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(dāng)使用常規(guī)硬開關(guān)(HS) PWM時(shí),較高功率水平下的效率迅速下降。將RPT與FTP進(jìn)行比較時(shí),這一點(diǎn)更加突出。為了改進(jìn)操作,我們確定了兩種主要損耗機(jī)制,通過(guò)下文說(shuō)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(jì)中,當(dāng)使用常規(guī)PWM時(shí),初級(jí)開關(guān)MA和MB在無(wú)源到有源開關(guān)轉(zhuǎn)換過(guò)程中不會(huì)快速關(guān)斷。這種狀況會(huì)在整個(gè)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(fù)載相關(guān)的適當(dāng)死區(qū)時(shí)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(jí)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(huì)危及開關(guān)的完整性,浪費(fèi)能量,并導(dǎo)致電磁干擾(EMI)。使用附加開關(guān)(例如圖3中的MCLAMP)實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制有源箝位是減輕該尖峰負(fù)面影響的較佳備選方案6。這樣可以進(jìn)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(shí)施這些策略后,5 kW時(shí)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(cè)到FPT和RPT具有相似的效率,如圖3b所示。

為了實(shí)現(xiàn)這些開關(guān)功能,ADP1055提供6個(gè)可編程PWM輸出以形成開關(guān)時(shí)序,并提供2個(gè)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(shí)現(xiàn)。有關(guān)該數(shù)字控制器的這些和其他功能的優(yōu)勢(shì),請(qǐng)參閱ADP1055-EVALZ用戶指南,其中考慮了標(biāo)準(zhǔn)FPT應(yīng)用。

確定實(shí)現(xiàn)可行效率水平的機(jī)制(對(duì)于本應(yīng)用的FPT和RPT模式均適用)后,接下來(lái)我們探討如何調(diào)整以適應(yīng)RPT。

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

圖5 初級(jí)開關(guān)無(wú)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(yùn)行情況,我們創(chuàng)建了低壓(LV)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行概念驗(yàn)證。此裝置基于ADP1055-EVALZ用戶指南中的硬件,最初設(shè)計(jì)用于48 VDC至12 VDC/240 W FPT的標(biāo)準(zhǔn)情況,使用ADP1055作為主控制器,開關(guān)頻率fSW = 125 kHz。為了適應(yīng)RPT操作,需要適當(dāng)修改硬件和軟件。圖6(上)顯示了針對(duì)此任務(wù)的信號(hào)鏈硬件部分,其重點(diǎn)如下:

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圖6 信號(hào)鏈利用專用數(shù)字控制器來(lái)適應(yīng)RPT

■   使用兩個(gè)匹配的半橋柵極驅(qū)動(dòng)器ADuM3223來(lái)導(dǎo)通和關(guān)斷四個(gè)初級(jí)開關(guān)。這些驅(qū)動(dòng)器的精密時(shí)序特性(隔離器和驅(qū)動(dòng)器最大傳播延遲為54 ns)可準(zhǔn)確地將控制信號(hào)反映到PWM中。

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

■   在測(cè)量部分,分流電阻上的電流測(cè)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(cè)量整個(gè)轉(zhuǎn)換器的變壓器次級(jí)的輸出電流。

■   最后,隔離式放大器ADuM4195用于安全、準(zhǔn)確地測(cè)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(cè)量方案是對(duì)控制環(huán)路硬件的一項(xiàng)重要補(bǔ)充。除了安全的5 kV隔離電壓(從高壓初級(jí)側(cè)到低壓控制側(cè))、多達(dá)4.3 V的寬輸入范圍以及精度約為0.5%的基準(zhǔn)電壓外,ADuM4195還有高達(dá)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(shí)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(duì)于應(yīng)用在125 kHz開關(guān)頻率下的運(yùn)行至關(guān)重要。圖7顯示了最終的實(shí)驗(yàn)裝置,圖6中增加的硬件在基于ADuM4195的測(cè)量子卡中實(shí)現(xiàn),該子卡已添加到ADP1055-EVALZ用戶指南中的原始評(píng)估板中。

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圖7 RPT概念驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)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(guò)流程的描述塊進(jìn)行總結(jié)說(shuō)明,如下所示:

■   通過(guò)更改PWM設(shè)置,使占空比變化與次級(jí)電感充電成比例,來(lái)實(shí)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(jì)的LCL輸出濾波器,通過(guò)交流小信號(hào)等效電路技術(shù)來(lái)確定設(shè)備在拉普拉斯域中的轉(zhuǎn)換函數(shù)Gp(s)7。與FPT不同,設(shè)備在RPT下的響應(yīng)是具有右側(cè)零點(diǎn)(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(qǐng)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(duì)反饋測(cè)量Gm(s)進(jìn)行建模(圖8)。經(jīng)確認(rèn),主導(dǎo)極點(diǎn)在200 kHz左右,可確保在控制系統(tǒng)的目標(biāo)帶寬(250 kHz可觀測(cè)雙頻的10%左右)之上仍能提供快速響應(yīng)。

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圖8 ADuM4195的頻率響應(yīng)

■   我們選擇在控制器的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字補(bǔ)償器中添加一個(gè)極點(diǎn),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)。

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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Gc(z)的連續(xù)時(shí)間模型Gc(s)9。因此,首先添加一個(gè)計(jì)算延遲(× z-1),而連續(xù)時(shí)間中的最終表示通過(guò)如下方式實(shí)現(xiàn):利用(a) Tustin近似1694770226448701.png和(b) Padé 近似模擬離散 PWM (DPWM) 延遲 (Tsa/2=1/4fsw),使得:

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■   最后,為了設(shè)計(jì)一個(gè)穩(wěn)定的響應(yīng),我們利用MATLAB Control System Designer作為常規(guī)連續(xù)時(shí)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(jì)Gc(s)中常數(shù)的最終值對(duì)于確保運(yùn)行可靠至關(guān)重要。一旦通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的開環(huán)轉(zhuǎn)換函數(shù),控制器就會(huì)變換回?cái)?shù)字域。圖9(左)顯示所設(shè)計(jì)的數(shù)字濾波器的頻率響應(yīng)Gc(z),利用圖9(右)中ADP1055的GUI可以通過(guò)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(shí)間和有源箝位的PS PWM)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),為了在RPT的有源到無(wú)源轉(zhuǎn)換中實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)腪VS,有必要修改PWM序列中的死區(qū)時(shí)間。具體來(lái)說(shuō),我們修改了次級(jí)開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間點(diǎn),使其發(fā)生在每次有源到無(wú)源轉(zhuǎn)換間隔之前,以允許電流反向9。

測(cè)試表明適應(yīng)RPT的修改工作是成功的,從12 V次級(jí)輸入獲得了48 V初級(jí)輸出。對(duì)于負(fù)載和輸入電壓變化,輸出電壓調(diào)節(jié)都很出色,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)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(duì)50%負(fù)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(guò)沖和建立時(shí)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(guò)沖,稍慢的建立時(shí)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(jì)過(guò)程是有效和成功的。

結(jié)論

為在能源市場(chǎng)中實(shí)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(cuò)的備選方案。這是因?yàn)椋c微控制器相比,數(shù)字控制器有助于簡(jiǎn)化功能安全認(rèn)證,從而縮短系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)時(shí)間,更快地獲取收益。這些器件通常是針對(duì)單向功率傳輸構(gòu)建的,本文探討了如何進(jìn)行修改以支持雙向操作。通過(guò)理論模型、仿真和實(shí)驗(yàn)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(yàn)證了該應(yīng)用的可行性,兩個(gè)方向的能量傳輸實(shí)現(xiàn)了相似的性能。

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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(fù)載階躍響應(yīng)

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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(dòng)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)



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