借助實時微控制器優(yōu)化可再生能源和工業(yè)系統(tǒng)的功率效率和功率密度

電力電子產(chǎn)品設(shè)計人員致力于提升工業(yè)和汽車系統(tǒng)的功率效率和功率密度，這些設(shè)計涵蓋多軸驅(qū)動器、太陽能、儲能、電動汽車充電站和電動汽車車載充電器等。

這些系統(tǒng)的主要設(shè)計挑戰(zhàn)之一是在降低系統(tǒng)成本的同時，實現(xiàn)更出色的實時控制性能。要應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，常用的方法是使用擁有超低延遲控制環(huán)路處理功能的模擬和控制外設(shè)的高度集成的微控制器 (MCU) 。

實時控制性能：延遲是關(guān)鍵

在深入應(yīng)用實例之前，先讓我們簡要看下“延遲”。在多軸驅(qū)動器、機器人、具有儲能系統(tǒng)的光伏逆變器、電動汽車充電站和電動汽車中，控制性能與 MCU 對信號進(jìn)行采樣、處理和控制的速度直接相關(guān)。圖 1 展示了實時信號鏈和信號延遲之間的關(guān)系，信號延遲指從模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 測量信號，到 CPU 處理信息，以及脈寬調(diào)制器 (PWM) 控制功率的時間。這個時間需要盡可能小，才能實現(xiàn)超低延遲控制環(huán)路處理。

圖 1：實時性能和延遲的概念

對于數(shù)字電源來說，實現(xiàn)較高的功率密度意味著要將 DC/DC 的開關(guān)頻率從 50kHz 提高到 100kHz、500kHz 或更高。如果您使用的 MCU 以 100MHz 運行并且穩(wěn)壓環(huán)路同步到 PWM 頻率，在 10kHz 時，PWM 中斷之間的可用 CPU 周期數(shù)為 10,000，而在 100kHz 時會降為 1,000。隨著頻率上升，可用于檢測流程控制的時間縮短，因此您需要優(yōu)化 MCU 架構(gòu)，以便在實時信號鏈中盡量節(jié)省每個周期的時間。

在光伏逆變器和儲能系統(tǒng)中實現(xiàn)下一代電源

如圖 2 所示，光伏逆變器市場不斷發(fā)展，出現(xiàn)了集成儲能系統(tǒng)的混合逆變器，帶來了控制雙向能量轉(zhuǎn)換的挑戰(zhàn)。單芯片架構(gòu)需要使用具有許多高分辨率 PWM 通道和額外高帶寬 ADC 輸入的 MCU，例如 TMS320F28P650DK C2000Tm 32 位 MCU。

圖 2：集成了儲能系統(tǒng)的光伏逆變器架構(gòu)

為滿足許多應(yīng)用中對可再生能源不斷增長的需求，光伏逆變器需要更高的功率效率和更好的總諧波失真性能。一種方法是使用更新的多相多級逆變器電源架構(gòu)。這類架構(gòu)通常通過一組復(fù)雜的電源算法和額外的外部邏輯（例如復(fù)雜的可編程邏輯器件或現(xiàn)場可編程門陣列）來實現(xiàn)，以便使用正確的序列安全地打開和關(guān)閉電源開關(guān)。這種方法會增加布板空間和系統(tǒng)成本。

能在不同 PWM 模塊中支持板載定制、最小死區(qū)和非法組合邏輯（用于防止破壞性上電/斷電序列的 MCU 特性）的 MCU 可讓設(shè)計人員在降低成本的同時，減少或甚至移除外部邏輯，從而進(jìn)一步簡化設(shè)計。

此外，務(wù)必將 PWM 單元和集成的模擬窗口比較器進(jìn)行緊密耦合，以便為電源轉(zhuǎn)換器提供過流和過壓保護(hù)。基于電源拓?fù)?，您要選擇的 MCU 可能需要搭載能夠?qū)崿F(xiàn)對諧振模式轉(zhuǎn)換器峰值電流和谷值電流模式控制的 PWM 單元。

在電動汽車車載充電器中實現(xiàn)更輕松、更快速的集成

隨著全球電動汽車數(shù)量的增長，設(shè)計人員需要找到新的解決方案，以便使車載充電器進(jìn)一步集成并降低其成本。典型的實現(xiàn)方案為兩個彼此隔離的 MCU，一個用于車載充電器功率因數(shù)校正，另一個用于車載充電器 DC/DC。

盡管采用單個 MCU 會增加將信號發(fā)送回 MCU 所需的隔離器件，但其增加的成本可與減少元件數(shù)量節(jié)省的成本相抵，包括減少 CAN 收發(fā)器、穩(wěn)壓器、電源管理集成電路、運算放大器以及實現(xiàn)返回主機 MCU 通信所需的隔離。

圖 3 展示了單個 MCU 控制高達(dá) 22kW 的三相車載充電器功率級拓?fù)?。PFC 級是兩相交錯式圖騰柱，而 DC/DC 級是雙電容-電感-電感-電感-電容 (CLLLC)，可減小變壓器尺寸和場效應(yīng)晶體管的電流等級。

圖 3：由單個 MCU 控制的三相電動汽車車載充電器（PFC 與 DC/DC）

確定所需的最少 MCU 硬件資源（PWM、ADC、比較器）后，您可能還希望在降低 CPU 開銷的同時，實現(xiàn)更多的軟件集成。由于集成可以實現(xiàn)對單個器件上更多信號的采樣，選擇的 MCU 如包含內(nèi)置基于硬件的過采樣和偏移量校準(zhǔn)功能的 ADC，可簡化軟件設(shè)計，從而使 MCU 具有更高的周期效率，并能夠更快運行控制環(huán)路。

另一個挑戰(zhàn)是對具有不同實時限制的多個任務(wù)進(jìn)行軟件集成：PFC、DC/DC 以及輔助控制和安全性需要共存，這讓軟件開發(fā)變得更加復(fù)雜。

從單核 MCU 轉(zhuǎn)向多核 MCU 架構(gòu)并在 MCU 內(nèi)核之間分配存儲器、PWM 和模擬資源，可幫助實現(xiàn)向多個內(nèi)核分配不同的控制環(huán)路頻率，例如，一個內(nèi)核用于控制 PFC，另一個用于運行兩個 CLLLC。每個內(nèi)核以不同的獨立頻率運行控制環(huán)路：圖騰柱通常為固定頻率，但車載充電器的直流/直流電源轉(zhuǎn)換級（圖 3）不斷變化。使用多核架構(gòu)還有助于實現(xiàn)更可靠、更精密的過流和過壓保護(hù)（因為可以針對每個內(nèi)核優(yōu)化每個控制環(huán)路），無需外部監(jiān)控元件，還可以降低成本。

電動汽車將在數(shù)分鐘內(nèi)充滿電，每個家庭都將使用光伏和儲能系統(tǒng)，工廠將使用更多高效的機器人并實現(xiàn)能源足跡更少的自動化……實時控制 MCU 的創(chuàng)新將為實現(xiàn)更清潔、更安全、更高效的世界鋪平道路。