前言

隔離型雙向ACDC變換器作為連接電網(wǎng)和電池的橋梁，在OBC(On Board Charger)、戶用儲(chǔ)能、UPS(Uninterruptible Power Supply)等場(chǎng)景中得到了廣泛應(yīng)用。

隔離型雙向ACDC變換器由一次側(cè)的雙向ACDC變換器，和二次側(cè)的隔離型雙向DCDC變換器組成。 當(dāng)系統(tǒng)工作在電池充電狀態(tài)時(shí)，雙向ACDC變換器工作在整流模式，負(fù)責(zé)將電網(wǎng)交流電轉(zhuǎn)換為直流電，并實(shí)現(xiàn)PFC(Power Factor Correction)功能； 當(dāng)系統(tǒng)工作在電池放電狀態(tài)時(shí)，雙向ACDC變換器工作在逆變模式，負(fù)責(zé)將直流母線電壓逆變?yōu)榻涣麟妷海瑸楸镜亟涣髫?fù)載供電或者將電池能量反饋至電網(wǎng)。

本文簡(jiǎn)要介紹基于恩智浦DSC(DigitalSignal Controller)數(shù)字控制器開發(fā)的雙向ACDC參考設(shè)計(jì)方案。 該方案主功率拓?fù)溥x用下圖所示的全橋電路，主控芯片采用DSC系列MC56F83783數(shù)字控制器。

DSC是恩智浦為電能變換、電機(jī)控制等應(yīng)用量身打造的DSP架構(gòu)數(shù)字控制器。 DSC靈活的控制外設(shè)和高效的內(nèi)核架構(gòu)，可幫助電能在直流側(cè)UDC和交流側(cè)UAC之間，進(jìn)行高效可靠的雙向傳輸。 同時(shí)，DSC完善的配套開發(fā)環(huán)境和詳細(xì)的參考設(shè)計(jì)資料可幫助用戶縮短開發(fā)周期，加快產(chǎn)品上市速度。

逆變工作模式

下圖所示為工作在逆變模式的雙向ACDC變換器系統(tǒng)控制框圖。

在該模式下，控制環(huán)路采用電壓外環(huán)+電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制策略。 電壓外環(huán)采用準(zhǔn)PR(ProportionalResonant)調(diào)節(jié)器，從而提高交流輸出電壓的穩(wěn)態(tài)控制精度。

在該平臺(tái)上，交流輸出電壓有效值誤差低于1%。 電流內(nèi)環(huán)采用PI(Proportional Integral)調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)。 正弦電壓參考基準(zhǔn)、PR調(diào)節(jié)器和PI調(diào)節(jié)器均可通過調(diào)用恩智浦RTCESL(Real Time ControlEmbedded Software Library)庫(kù)函數(shù)實(shí)現(xiàn)。

RTCESL庫(kù)中包含數(shù)字電源應(yīng)用中常用的調(diào)節(jié)器、數(shù)字濾波器、常用數(shù)學(xué)運(yùn)算等函數(shù)，所有庫(kù)函數(shù)均通過匯編語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。 通過調(diào)用庫(kù)函數(shù)，用戶可快速實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)字控制算法。

另外，DSC片上比較器模塊CMP可用于實(shí)現(xiàn)逆變器的逐波限流和過壓保護(hù)等功能，幫助用戶減少BOM成本。

最后，恩智浦提供實(shí)時(shí)在線串口調(diào)試工具FreeMASTER。 FreeMASTER可以以圖形化的形式實(shí)時(shí)在線顯示代碼中變量的數(shù)值，這對(duì)于加快代碼調(diào)試、快速定位問題很有幫助。

整流工作模式

下圖所示為工作在整流模式的雙向ACDC變換器系統(tǒng)控制框圖。

在該模式下，變換器控制環(huán)路仍采用電壓外環(huán)+電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制策略，電流內(nèi)環(huán)為平均電流控制。 電壓外環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器，用于調(diào)節(jié)直流母線電壓。

電網(wǎng)電壓相位通過PLL(Phase-Locked Loop)鎖相獲取。 PLL輸出、電壓環(huán)輸出和電網(wǎng)電壓有效值前饋相乘，得到電流內(nèi)環(huán)參考。 這里采用電網(wǎng)電壓前饋算法，降低電網(wǎng)電壓波動(dòng)對(duì)變換器工作的影響。 電流環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓的同相位控制，從而保證高功率因數(shù)。

最后，通過引入占空比前饋控制算法，減小電網(wǎng)電壓過零點(diǎn)附近的電流畸變，從而降低電網(wǎng)電流THD(Total Harmonic Distortion)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

這是雙向ACDC變換器的主要規(guī)格：

下圖是雙向ACDC變換器硬件平臺(tái)。 控制子卡HVP-56F83783和功率母板采用子母卡形式，通過金手指連接。

該設(shè)計(jì)方便用戶根據(jù)自身需求，評(píng)估不同系列的DSC產(chǎn)品。

下圖為工作在逆變模式下，變換器輸出220VAC帶整流性負(fù)載時(shí)的滿載工作波形。

示波器1通道顯示整流性負(fù)載電容兩端電壓，2通道顯示變換器輸出電流，4通道顯示變換器輸出電壓。 在該工況下，交流輸出電壓THD為2.1%，變換器控制效果良好。

下圖為工作在整流模式下，變換器輸入110VAC帶滿載時(shí)的工作波形。

示波器1通道顯示電網(wǎng)側(cè)輸入電流，2通道顯示變換器直流母線電壓，4通道顯示電網(wǎng)電壓?？梢婋娋W(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓基本同相位，表明功率因數(shù)校正效果良好。電流波形包絡(luò)呈正弦，電流環(huán)跟蹤效果較好。

小結(jié)

今天給大家簡(jiǎn)單介紹了恩智浦基于DSC數(shù)字控制器的雙向ACDC參考設(shè)計(jì)方案。

審核編輯：湯梓紅