基于恩智浦DSC數(shù)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景中，隔離雙向DCDC變換器用于實現(xiàn)電池充電曲線控制和電池母線間的雙向電能變換，同時實現(xiàn)電網(wǎng)和電池間的電氣隔離。

本文簡要介紹基于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，可在全負載范圍實現(xiàn)軟開關。主控芯片采用DSC MC56F83783數(shù)字信號控制器，幫助實現(xiàn)靈活高效的數(shù)字電源控制。

方案概括

■ 基于CLLC諧振變換器實現(xiàn)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%

■ 開關頻率范圍：100-180kHz，諧振頻率：150kHz

■ 高精度PWM幫助實現(xiàn)精準的開關電源控制

■ 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(diào)制策略，優(yōu)化變換器在寬電壓范圍應用場景中的效率

■ 基于RTCESL實現(xiàn)2P2Z控制器，在幫助變換器實現(xiàn)更佳動態(tài)特性的同時，提高代碼運行效率

■ 在充電模式下，實現(xiàn)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，便于客戶評估不同系列DSC

■ 基于FreeMASTER實現(xiàn)變換器的工作模式控制和工作狀態(tài)觀測

■ 過流、過欠壓和過溫保護功能

同步整流策略

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

同步整流主要基于DSC片上外設（CMP，EVTG，QTMR，PWM，XBAR）實現(xiàn)，僅需少量外部器件。CMP為DSC內(nèi)部集成的帶窗口功能的比較器，VR為CMP內(nèi)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(qū)動信號。

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(qū)動信號vS6由比較器輸出vcmp和PWM輸出vS2_D經(jīng)過“與”運算獲得，從而避免潛在震蕩引起的整流橋臂直通問題；另一方面，在vcmp翻轉(zhuǎn)后，QTMR將輸出一段低電平信號，低電平持續(xù)時間可通過配置QTMR調(diào)節(jié)。QTMR輸出信號稱為“窗口信號”，通過XBAR連接至CMP。在窗口信號為低電平時，即使vB存在較大電壓震蕩，多次穿越VR值，vcmp不會翻轉(zhuǎn)，從而避免同步驅(qū)動信號的誤動作。窗口信號為低電平的時段稱為消隱時間。

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

調(diào)制策略

變頻調(diào)制（PFM）為諧振變換器主流調(diào)制策略，通過改變諧振腔阻抗調(diào)節(jié)變換器電壓增益。但是，當開關頻率大于諧振頻率時，隨著開關頻率提高，電壓增益緩慢降低。在寬電壓范圍應用中，僅采用變頻調(diào)制將導致開關頻率范圍很寬，因此不利于磁性元件的設計。

移相調(diào)制（PSM）通過改變諧振腔輸入電壓脈寬調(diào)節(jié)變換器增益。當變頻調(diào)制無法快速調(diào)節(jié)變換器電壓增益時，調(diào)制策略由變頻調(diào)制切換為移相調(diào)制，可在減小開關頻率范圍的同時，實現(xiàn)寬電壓范圍的電能變換。

在空載或負載很輕的工況下，打嗝模式可幫助實現(xiàn)變換器輸出電壓穩(wěn)壓。另外，當變換器工作在打嗝模式時，其等效開關頻率降低，因此輕載效率得以優(yōu)化。

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

軟起動策略

CLLC諧振變換器的軟起動由開環(huán)階段和閉環(huán)階段構(gòu)成。在開環(huán)階段，開關頻率保持為軟起動階段最高開關頻率。通過移相調(diào)制，等效占空比Dφ由設定初始值，按照固定的步長逐漸增大，直到Dφ等于0.5，移相調(diào)制切換為變頻調(diào)制。進入變頻調(diào)制后，Dφ保持為0.5，開關頻率按照設定步長逐漸減小，直至輸出端口電壓達到開環(huán)軟起動門限電壓，至此開環(huán)階段結(jié)束。進入閉環(huán)階段后，輸出端口電壓值已接近電壓基準，經(jīng)過電壓控制環(huán)路調(diào)節(jié)，輸出端口電壓快速穩(wěn)定在電壓基準值，軟起動結(jié)束。

實驗結(jié)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，通過金手指連接。該設計方便用戶根據(jù)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的效率曲線，分別對應低壓端口電壓為40V/50V/60V三種工況。

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