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

電力電子產(chǎn)品設計人員致力于提升工業(yè)和汽車(chē)系統的功率效率和功率密度，這些設計涵蓋多軸驅動(dòng)器、太陽(yáng)能、儲能、電動(dòng)汽車(chē)充電站和電動(dòng)汽車(chē)車(chē)載充電器等。

這些系統的主要設計挑戰之一是在降低系統成本的同時(shí)，實(shí)現更出色的實(shí)時(shí)控制性能。要應對這一挑戰，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的高度集成的微控制器 (MCU) 。

實(shí)時(shí)控制性能：延遲是關(guān)鍵

在深入應用實(shí)例之前，先讓我們簡(jiǎn)要看下“延遲”。在多軸驅動(dòng)器、機器人、具有儲能系統的光伏逆變器、電動(dòng)汽車(chē)充電站和電動(dòng)汽車(chē)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(shí)時(shí)信號鏈和信號延遲之間的關(guān)系，信號延遲指從模數轉換器 (ADC) 測量信號，到 CPU 處理信息，以及脈寬調制器 (PWM) 控制功率的時(shí)間。這個(gè)時(shí)間需要盡可能小，才能實(shí)現超低延遲控制環(huán)路處理。

圖 1：實(shí)時(shí)性能和延遲的概念

對于數字電源來(lái)說(shuō)，實(shí)現較高的功率密度意味著(zhù)要將 DC/DC 的開(kāi)關(guān)頻率從 50kHz 提高到 100kHz、500kHz 或更高。如果您使用的 MCU 以 100MHz 運行并且穩壓環(huán)路同步到 PWM 頻率，在 10kHz 時(shí)，PWM 中斷之間的可用 CPU 周期數為 10,000，而在 100kHz 時(shí)會(huì )降為 1,000。隨著(zhù)頻率上升，可用于檢測流程控制的時(shí)間縮短，因此您需要優(yōu)化 MCU 架構，以便在實(shí)時(shí)信號鏈中盡量節省每個(gè)周期的時(shí)間。

在光伏逆變器和儲能系統中實(shí)現下一代電源

如圖 2 所示，光伏逆變器市場(chǎng)不斷發(fā)展，出現了集成儲能系統的混合逆變器，帶來(lái)了控制雙向能量轉換的挑戰。單芯片架構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：集成了儲能系統的光伏逆變器架構

為滿(mǎn)足許多應用中對可再生能源不斷增長(cháng)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。這類(lèi)架構通常通過(guò)一組復雜的電源算法和額外的外部邏輯（例如復雜的可編程邏輯器件或現場(chǎng)可編程門(mén)陣列）來(lái)實(shí)現，以便使用正確的序列安全地打開(kāi)和關(guān)閉電源開(kāi)關(guān)。這種方法會(huì )增加布板空間和系統成本。

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

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，以便為電源轉換器提供過(guò)流和過(guò)壓保護?；陔娫赐負?，您要選擇的 MCU 可能需要搭載能夠實(shí)現對諧振模式轉換器峰值電流和谷值電流模式控制的 PWM 單元。

在電動(dòng)汽車(chē)車(chē)載充電器中實(shí)現更輕松、更快速的集成

隨著(zhù)全球電動(dòng)汽車(chē)數量的增長(cháng)，設計人員需要找到新的解決方案，以便使車(chē)載充電器進(jìn)一步集成并降低其成本。典型的實(shí)現方案為兩個(gè)彼此隔離的 MCU，一個(gè)用于車(chē)載充電器功率因數校正，另一個(gè)用于車(chē)載充電器 DC/DC。

盡管采用單個(gè) MCU 會(huì )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量節省的成本相抵，包括減少 CAN 收發(fā)器、穩壓器、電源管理集成電路、運算放大器以及實(shí)現返回主機 MCU 通信所需的隔離。

圖 3 展示了單個(gè) MCU 控制高達 22kW 的三相車(chē)載充電器功率級拓撲。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(chǎng)效應晶體管的電流等級。

圖 3：由單個(gè) MCU 控制的三相電動(dòng)汽車(chē)車(chē)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(kāi)銷(xiāo)的同時(shí)，實(shí)現更多的軟件集成。由于集成可以實(shí)現對單個(gè)器件上更多信號的采樣，選擇的 MCU 如包含內置基于硬件的過(guò)采樣和偏移量校準功能的 ADC，可簡(jiǎn)化軟件設計，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(gè)挑戰是對具有不同實(shí)時(shí)限制的多個(gè)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(kāi)發(fā)變得更加復雜。

從單核 MCU 轉向多核 MCU 架構并在 MCU 內核之間分配存儲器、PWM 和模擬資源，可幫助實(shí)現向多個(gè)內核分配不同的控制環(huán)路頻率，例如，一個(gè)內核用于控制 PFC，另一個(gè)用于運行兩個(gè) CLLLC。每個(gè)內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(chē)載充電器的直流/直流電源轉換級（圖 3）不斷變化。使用多核架構還有助于實(shí)現更可靠、更精密的過(guò)流和過(guò)壓保護（因為可以針對每個(gè)內核優(yōu)化每個(gè)控制環(huán)路），無(wú)需外部監控元件，還可以降低成本。

電動(dòng)汽車(chē)將在數分鐘內充滿(mǎn)電，每個(gè)家庭都將使用光伏和儲能系統，工廠(chǎng)將使用更多高效的機器人并實(shí)現能源足跡更少的自動(dòng)化……實(shí)時(shí)控制 MCU 的創(chuàng )新將為實(shí)現更清潔、更安全、更高效的世界鋪平道路。