隨著光儲新能源、車載電源、便攜式儲能、陽臺光伏等雙向能量傳輸?shù)男枨?，上期發(fā)布隔離型雙向DC/DC DAB以來、客戶反饋需求強勁、同時反饋非隔離型雙向DC/DC一樣需求迫切、為此本期給大家?guī)矸歉綦x四開關(guān)BUCK-BOOST雙向DC/DC方案(FSBB-Four Switch Buck-Boost）。

本文介紹了基于小華HC32F334數(shù)字電源控制器的FSBB參考設(shè)計，著重介紹了：

△ 采用簡化變頻控制的優(yōu)勢：

   · 化多控制變量為單一控制量，計算量小，易于MCU實現(xiàn)；

   · 在寬輸入輸出范圍內(nèi)實現(xiàn)全負載范圍ZVS、提升系統(tǒng)效率；

   · 電感電流有效值最優(yōu)控制，減少導(dǎo)通損耗、進一步優(yōu)化效率；

   · DCM/CCM無縫切換，實現(xiàn)平滑切換的同時進一步提升硬件功率傳輸能力；

   · CCM變頻工作模式下，頻率變換范圍窄，有利于濾波元器件設(shè)計；

△ 增加電感負電流檢測延時補償，消除硬件延時導(dǎo)致的功率損耗；

△ 通過HC32F334 HRPWM的外部事件輕松實現(xiàn)簡化變頻控制；

△ 最后對比總結(jié)了非隔離型雙向DC-DC拓撲；

更多功能期待大家親測品鑒。

1.參考設(shè)計簡介

隨著環(huán)保節(jié)能需求的增加，具有升降壓能力的直流變換器受到越來越多的關(guān)注，四開關(guān)BUCK-BOOT(FSBB)以其卓越的升降壓性能以及能量雙向流動的特性在燃料電池、通信系統(tǒng)，可再生能源發(fā)電等場合有著重要的應(yīng)用。小華半導(dǎo)體推出了基于HC32F334控制器的四開關(guān)BUCK-BOOST（FSBB）應(yīng)用方案，該方案的拓撲結(jié)構(gòu)和基于HC32F334的控制框圖如圖1-1所示。

其主要規(guī)格參數(shù)如下表所示，對應(yīng)的V-I曲線如圖 所示：

該方案主要實驗結(jié)果如下圖1-3所示。

方案的主要優(yōu)勢與特點概要總結(jié)如下表 2所示。

表2  FSBB方案優(yōu)勢與特點

2.方案優(yōu)勢及特點

2.1簡化變頻控制的優(yōu)勢

FSBB控制模式有兩個方向，一種是多模式PWM硬開關(guān)模式，另外一種是電感電流四邊形軟開關(guān)模式。

多模式PWM硬開關(guān)策略：常用三模式控制策略如圖2-1，即根據(jù)輸入輸出電壓的差異工作在不同模式：BUCK模式（Vg > Vo + Vth）、BOOST模式（Vg < Vo - Vth）,以及Buck/Boost模式（Vo – Vth < Vg < Vo + Vth）。這種控制模式工作在硬開關(guān)，電感電流應(yīng)力大，開關(guān)損耗大。

電感電流四邊形控制：為了提高效率及功率密度。提出了電感電流的四邊形軟開關(guān)控制，波形如圖2-2。該模式下把電感電流分為四段T1,T2,T3和T4,對應(yīng)的電流為Izvs,I1,I2,I3，只需要每個轉(zhuǎn)折點的電流大于Izvs就可以實現(xiàn)ZVS。還可以通過優(yōu)化電感電流時間（T1，T2），使電感電流有效值最小，進一步減小導(dǎo)通損耗。但是電感電流有效值最小的優(yōu)化控制，最優(yōu)的開通時間，要實時得計算最優(yōu)的（T1，T2）值，計算量大，經(jīng)常會通過查表法得出不同負載狀態(tài)下的最優(yōu)開通時間。

介紹本方案采用的簡化變頻控制前，我們先看下DCM簡化控制和CCM變頻控制：

1）DCM的簡化控制：在寬輸入輸出范圍應(yīng)用條件下，要實現(xiàn)電感電流最小控制，需要多維查表，需要很大存儲空間。通過下面圖2-3可知，只有I1 = Izvs（Buck模式），或者I3 = Izvs(Boost模式)，電感電流有效值始終最小，其中粉紅色為最小電感電流有效值最小控制，陰影區(qū)域為表示一個周期傳遞的能量大小。因此可以通過此條件，利用公式（1）得到T1的最優(yōu)解。因此電感電流最優(yōu)解轉(zhuǎn)為求T2的解。由多維變量控制變?yōu)閱我蛔兞靠刂?。計算量大大降低?？梢酝ㄟ^PI即可以得出T2的值。

2）CCM的變頻控制:簡化DCM模式下，F(xiàn)SBB最大功率受到限制，尤其是輸入電壓等于輸出電壓的時候，輸出的最大功率很小。為了解決這個問題，提出了連續(xù)導(dǎo)通模式變頻控制。當負載增加到T4消失進入CCM后，被控對象變?yōu)門1, 而T2由公式2決定。這樣電感電流在T1處的值隨著負載變化而變化，在相同的硬件條件下提高了帶載能力。從頻率角度上看，T1隨著負載的變化而變化，只要電流稍微變化就可以帶來較大的傳輸能量變化，因此總的來說頻率變化范圍小。如圖2-4為輸出50V、不同輸入電壓下最大輸出功率時的頻率曲線。從圖中可以看出，最低頻率才85kHz（輸入電壓等于輸出電壓的條件下）。

本方案采用的簡化變頻控制：集成了上述簡化DCM控制和CCM變頻控制的優(yōu)點。即輕載DCM定頻控制，選擇T2作為控制調(diào)節(jié)量，T1由公式1確定，此時電感有效值最??；當負載增加到T4消失進入CCM后采用變頻控制，選擇T1作為控制量，而T2由公式2決定。在這樣的控制策略下，任何時刻只有一個控制變量，由多維計算轉(zhuǎn)變?yōu)橐痪S運算，大大減少了計算量，易于用MCU來實現(xiàn)；引入變頻CCM模式控制提升了硬件功率傳輸能力，并且頻率變化窄。典型波形如圖2-5。

綜合以上簡析，可見本方案采用的DCM/CCM混合簡化變頻控制能夠：

√ 化多控制變量為單一控制變量，計算量小，易于MCU實現(xiàn)；

√ 在寬輸入輸出范圍內(nèi)實現(xiàn)全負載范圍ZVS、提升系統(tǒng)效率；

√ 實現(xiàn)電感電流有效值最優(yōu)控制，導(dǎo)通損耗低，進一步優(yōu)化效率；

√ CCM變頻工作模式下，頻率變換范圍窄，有利于濾波元器件設(shè)計；

2.2 DCM/CCM無縫切換，保證輸出平穩(wěn)過渡

為了實現(xiàn)DCM模式和CCM模式的之間的無縫平滑切換，給出了統(tǒng)一的控制變量Tu,該變量是輸出電壓/電流的PI輸出。T1，T2以及Tu的關(guān)系如圖2-5所示。在DCM模式下，T2 = Tu,T1由公式（1）確定，在臨界模式，T2max = Tu,進入CCM模式后，T2為T2max,Tu和T2max的差值會疊加到T1，這樣當負載變化時候，Tu是連續(xù)變化，變換器的工作狀態(tài)也是連續(xù)的。

2.3 采用電感負電流檢測延時補償，進一步提高效率；

本參考設(shè)計采用簡化變頻控制，輕載時FSBB工作在定頻DCM模式、電感電流有效值最小，重載時FSBB工作在變頻CCM模式。系統(tǒng)框圖如圖2-5，ZCD1是正向工作時的電感負電流檢測，ZCD2是反向工作時候的電感負電流檢測，Ref是負電流的參考值。

由于硬件采樣以及MCU響應(yīng)外部事件的延時會導(dǎo)致負電流增加，電感電流有效值增加，效率降低。電感電流的變化量由公式3確定。

通過公式（3）可以看出， 電流的變化值和輸出電壓成正比，和延遲時間成正比。從實際中可以測量這個延時時間。由公式（3）可以得出在不同負載下的電流變化值。在程序中，改變電感負電流檢測電路的參考值Ref，使整個系統(tǒng)在不同輸出電壓下的負電流一致。最終消除由于采樣延遲導(dǎo)致的功率損耗。

3.HC32F334對優(yōu)異性能的支持

簡化變頻控制，通過檢測輸入輸出狀態(tài)、電感負電流（ZCD）來實現(xiàn)變占空比和變頻控制。

以正向工作為例說明HRPWM如何來實現(xiàn)簡化變頻控制。

S1和S2，S3和S4互補發(fā)波（插入死區(qū)）；

在正向工作，輸出電壓/電流通過PI決定S1的開通時刻和S3開通時刻，S3的關(guān)閉時刻（S4的開通時刻）則取決于電感負電流信號ZCD1,一旦檢測到ZCD1信號，S3就關(guān)閉，一定死區(qū)延時之后，S4打開。整個邏輯圖如下圖3-1所示。

這里ZCD1信號有兩個作用，在輕載時決定S3的占空比，在重載的時實現(xiàn)變頻控制。

1.通過HRPWM移相功能可以實現(xiàn)單元間的同步以及相位調(diào)節(jié)，在本參考設(shè)計中HRPWM2就是通過相位功能同步到單元1，相位值PHSCMP1 = 0；

2.外部事件可以直接作用于HRPWM動作（如圖3-2）;而且還可以配置在計數(shù)器向上或者向下時刻動作。

本參考設(shè)計S3就是在外部事件ZCD1發(fā)生時置低，S4在ZCD1發(fā)生之后插入死區(qū)置高。

                 圖 3-2 PWM動作模塊

3.外部事件可以清零計數(shù)器，加上外部事件消隱功能和外部事件Latch功能實現(xiàn)自動變頻控制。

圖 3-3 外部事件處理框圖

HRPWM靈活多變的外部事件處理方式，滿足客戶多樣需求。

△ HRPWM外部事件源豐富：10個端口事件，比較器輸出事件（CMP），ADC看門狗事件均可以作為外部事件源，并且濾波和極性（高電平，低電平，上升沿，下降沿）均可配置；

△ HRPWM外部事件處理功能強大：可以觸發(fā)延遲空閑、PWM動作、觸發(fā)計數(shù)器清零、捕獲以及間隔模式；

△ HRPWM外部事件還有消隱/窗口功能：在用戶指定的時間起作用。對不同的外部事件可以有5個時間段[0,OFFSENT], [0,WINDOWN], [REIOPD,OFFSENT], [RERIOD,OFFSENT], [OFFSENT,WINDOWN]可供選擇；

本參考設(shè)計選用ZCD1連接到PB5作為正向工作HRPWM1的清零源（HRPWM_EEV6）,同時作為HRPWM2的動作源，在ZCD1發(fā)生時S3置低；

為了實現(xiàn)變頻工作（頻率變換范圍[50Khz,100Khz]）。HRPWM1增加了消隱功能，消隱區(qū)間[0,10us],并且加上Latch鎖存功能，如果ZCD1發(fā)生在10us（100Khz）以內(nèi)，延時到100Khz才起作用,如圖3-4所示，如果ZCD1發(fā)生在[10us，20us](也就是100Khz到50Khz之間)，會立刻起作用，如圖3-1所示。由此就實現(xiàn)了變頻控制。HRPWM2又通過移相功能同步到HRPWM1，因此整個系統(tǒng)就根據(jù)ZCD1發(fā)生的不同時刻實現(xiàn)變頻控制。

圖 3-4 事件消隱模式

HRPWM2對ZCD1也增加了消隱功能，消隱區(qū)間為[0,HRPWM1-HRGCMPA]，HRPWM1-HRGCMPA為S1的開通時間，主要目的是只有在負電流發(fā)生的時間段才能起作用，有效避免干擾影響、提升系統(tǒng)可靠性。

4.非隔離雙向DC/DC拓撲對比總結(jié)

目前，非隔離雙向DC-DC常用拓撲如圖4-1，拓撲的對比如下所示。

表3  常用DCDC變換器拓撲比較

雙向Buck/Boost變換器電路拓撲結(jié)構(gòu)簡單,控制較為成熟,但在單一方向上只能實現(xiàn)升壓或降壓變換,不適用于同時實現(xiàn)升降壓的場合。

雙向Buck-Boost變換器拓撲結(jié)構(gòu)簡單且能同時實現(xiàn)升降壓,但其輸入輸出電壓極性相反,輔助電路和驅(qū)動電路的設(shè)計較為復(fù)雜

雙向Cuk變換器輸入電流和輸出電流脈動小,濾波器的設(shè)計較為簡單,但是其無源器件較多,輸入能量傳遞到負載需要經(jīng)過三次變換,因此其功率密度較低,同時存在輸入輸出電壓極性相反的問題。

雙向Sepic-Zeta變換器能夠同時實現(xiàn)升降壓,且輸入輸出電壓極性相同,但其與雙向Cuk變換器一樣存在著無源器件較多,功率密度較低的問題。

FSBB變換器功率器件兩端承受的電壓為輸入電壓或輸出電壓,與其他三種升降壓型變換器相比電壓應(yīng)力較小。與雙向Cuk和雙向epic/Zeta相比,其電感、電容等無源元件較少,可以實現(xiàn)較高的功率密度。雖然其開關(guān)管數(shù)量較多, 但數(shù)字控制技術(shù)的引入、在簡化其硬件設(shè)計的同時、提升了轉(zhuǎn)換效率；以上特性使得FSBB得到廣泛應(yīng)用。同時參考小華FSBB參考設(shè)計，可以輕松實現(xiàn)雙向buck/boost方案；

5.總結(jié)

FSBB以其雙向運行可升可降壓的特性，并且模塊化程度高、對稱性好等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于電動汽車，儲能系統(tǒng)和通信設(shè)備等非隔離供電系統(tǒng)領(lǐng)域。本文詳細介紹了基于小華HC32F334數(shù)字電源控制器的FSBB參考設(shè)計，重點介紹了小華自研HRPWM模塊靈活的外部事件處理機制；在應(yīng)用算法上，采用簡化變頻控制和電感負電流檢測延時補償：相比于多模式PWM控制，能明顯提高效率和功率密度；相比較于電感電流四邊形控制能明顯降低控制復(fù)雜度和對芯片存儲容量的需求，還提升了硬件功率轉(zhuǎn)輸能力、拓寬了輸入輸出范圍。電感負電流延時補償可以消除由于硬件延遲對效率的影響。

上述分析表明，小華HC32F334從芯片層面保證了基于外部事件的變占空比+變頻控制，讓用戶使用起來更便捷、更安全！同時應(yīng)用算法上也基于行業(yè)know-how進行了性能優(yōu)化，數(shù)字電源控制小華更懂你！

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