基于恩智浦DSC數字控制器的隔離雙向DCDC參考設計方案

在典型的電池充放電應用場(chǎng)景中，隔離雙向DCDC變換器用于實(shí)現電池充電曲線(xiàn)控制和電池母線(xiàn)間的雙向電能變換，同時(shí)實(shí)現電網(wǎng)和電池間的電氣隔離。

本文簡(jiǎn)要介紹基于DSC的隔離雙向DCDC變換器參考設計。該方案拓撲為CLLC諧振變換器，可在全負載范圍實(shí)現軟開(kāi)關(guān)。主控芯片采用DSC MC56F83783數字信號控制器，幫助實(shí)現靈活高效的數字電源控制。

方案概括

■ 基于CLLC諧振變換器實(shí)現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(kāi)關(guān)頻率范圍：100-180kHz，諧振頻率：150kHz

■ 高精度PWM幫助實(shí)現精準的開(kāi)關(guān)電源控制

■ 基于DSC特色外設的有源同步整流控制策略

■ 變頻+移相+打嗝模式的混合調制策略，優(yōu)化變換器在寬電壓范圍應用場(chǎng)景中的效率

■ 基于RTCESL實(shí)現2P2Z控制器，在幫助變換器實(shí)現更佳動(dòng)態(tài)特性的同時(shí)，提高代碼運行效率

■ 在充電模式下，實(shí)現變換器的恒壓/恒流輸出控制

■ 模塊化的功率母板和控制子卡，便于客戶(hù)評估不同系列DSC

■ 基于FreeMASTER實(shí)現變換器的工作模式控制和工作狀態(tài)觀(guān)測

■ 過(guò)流、過(guò)欠壓和過(guò)溫保護功能

同步整流策略

該方案中同步整流通過(guò)檢測整流管漏源極電壓實(shí)現。由于電流流過(guò)整流管溝道時(shí)的壓降遠小于整流管體二極管壓降，因此通過(guò)判斷漏源極電壓值大小，便可確定同步整流管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

同步整流主要基于DSC片上外設（CMP，EVTG，QTMR，PWM，XBAR）實(shí)現，僅需少量外部器件。CMP為DSC內部集成的帶窗口功能的比較器，VR為CMP內部DAC產(chǎn)生的電壓基準信號。CMP用于檢測整流管漏源極電壓，其輸出用于產(chǎn)生同步整流驅動(dòng)信號。

該方案中應用兩種策略，以提高同步整流的可靠性。一方面，同步驅動(dòng)信號vS6由比較器輸出vcmp和PWM輸出vS2_D經(jīng)過(guò)“與”運算獲得，從而避免潛在震蕩引起的整流橋臂直通問(wèn)題；另一方面，在vcmp翻轉后，QTMR將輸出一段低電平信號，低電平持續時(shí)間可通過(guò)配置QTMR調節。QTMR輸出信號稱(chēng)為“窗口信號”，通過(guò)XBAR連接至CMP。在窗口信號為低電平時(shí)，即使vB存在較大電壓震蕩，多次穿越VR值，vcmp不會(huì )翻轉，從而避免同步驅動(dòng)信號的誤動(dòng)作。窗口信號為低電平的時(shí)段稱(chēng)為消隱時(shí)間。

在該應用中，EVTG用于實(shí)現片上信號間的邏輯運算，XBAR用于片上信號互聯(lián)。

調制策略

變頻調制（PFM）為諧振變換器主流調制策略，通過(guò)改變諧振腔阻抗調節變換器電壓增益。但是，當開(kāi)關(guān)頻率大于諧振頻率時(shí)，隨著(zhù)開(kāi)關(guān)頻率提高，電壓增益緩慢降低。在寬電壓范圍應用中，僅采用變頻調制將導致開(kāi)關(guān)頻率范圍很寬，因此不利于磁性元件的設計。

移相調制（PSM）通過(guò)改變諧振腔輸入電壓脈寬調節變換器增益。當變頻調制無(wú)法快速調節變換器電壓增益時(shí)，調制策略由變頻調制切換為移相調制，可在減小開(kāi)關(guān)頻率范圍的同時(shí)，實(shí)現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(shí)現變換器輸出電壓穩壓。另外，當變換器工作在打嗝模式時(shí)，其等效開(kāi)關(guān)頻率降低，因此輕載效率得以?xún)?yōu)化。

變換器當前調制策略由控制器輸出值決定。DSC片上的PWM模塊可方便實(shí)現PFM和PSM模式間的平滑切換。

軟起動(dòng)策略

CLLC諧振變換器的軟起動(dòng)由開(kāi)環(huán)階段和閉環(huán)階段構成。在開(kāi)環(huán)階段，開(kāi)關(guān)頻率保持為軟起動(dòng)階段最高開(kāi)關(guān)頻率。通過(guò)移相調制，等效占空比Dφ由設定初始值，按照固定的步長(cháng)逐漸增大，直到Dφ等于0.5，移相調制切換為變頻調制。進(jìn)入變頻調制后，Dφ保持為0.5，開(kāi)關(guān)頻率按照設定步長(cháng)逐漸減小，直至輸出端口電壓達到開(kāi)環(huán)軟起動(dòng)門(mén)限電壓，至此開(kāi)環(huán)階段結束。進(jìn)入閉環(huán)階段后，輸出端口電壓值已接近電壓基準，經(jīng)過(guò)電壓控制環(huán)路調節，輸出端口電壓快速穩定在電壓基準值，軟起動(dòng)結束。

實(shí)驗結果

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(guò)金手指連接。該設計方便用戶(hù)根據自身需求，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(shí)的效率曲線(xiàn)，分別對應低壓端口電壓為40V/50V/60V三種工況。

以上簡(jiǎn)單介紹了恩智浦基于DSC數字控制器的隔離雙向DCDC參考設計方案。