一、瑞薩全數(shù)字電源控制MCU簡(jiǎn)介

瑞薩RA-T系列MCU是為電機(jī)和數(shù)字電源應(yīng)用而優(yōu)化的規(guī)格和產(chǎn)品系列，產(chǎn)品具有最佳結(jié)構(gòu)(ARM Cortex-M內(nèi)核, PWM定時(shí)器,A/D轉(zhuǎn)換器,比較器)，豐富的通信功能，利于系統(tǒng)控制拓展，有助于實(shí)時(shí)應(yīng)用的高速內(nèi)存和外圍功能保持高度兼容性。產(chǎn)品的電機(jī)控制加速器單元支持加速電流矢量控制、濾波操作并可以減少CPU負(fù)載以實(shí)現(xiàn)更多附加功能。

同時(shí)瑞薩提供給客戶電機(jī)和數(shù)字電源各類解決方案，為客戶帶來(lái)縮短開(kāi)發(fā)周期和加速產(chǎn)品上市時(shí)間的優(yōu)勢(shì)。其中瑞薩RA6T2群組是第二款針對(duì)電機(jī)和逆變器控制解決方案的產(chǎn)品。RA6T2將Arm Cortex-M33與用于電機(jī)控制的硬件加速器以及用于實(shí)現(xiàn)240MHz高速實(shí)時(shí)性能的高速閃存相結(jié)合。它還可以實(shí)現(xiàn)下一代高速、高響應(yīng)電機(jī)算法，并提高其他通信處理等并行處理性能。RA6T2總共有20種不同的型號(hào)，使用5種不同的封裝類型。支持靈活配置軟件包(FSP)和Arm合作伙伴生態(tài)系統(tǒng)，確保通過(guò)易用解決方案來(lái)實(shí)現(xiàn)高效精準(zhǔn)的電機(jī)和數(shù)字電源控制。

二、其核心技術(shù)優(yōu)勢(shì)

1、高速數(shù)據(jù)運(yùn)算:主控制器Renesas的RA6T2BD3C為高性能數(shù)字電源專用控制器,主核工作頻率為240MHz，ARM33核，并且具有浮點(diǎn)運(yùn)算單元；

2、高分辨率PWM驅(qū)動(dòng):高達(dá)10個(gè)通道的通用PWM定時(shí)器，可以產(chǎn)生足夠多的驅(qū)動(dòng)來(lái)完成復(fù)雜的3相正弦波控制，能夠以合適的開(kāi)關(guān)頻率提高產(chǎn)品的功率密度；

3、多達(dá)29個(gè)模擬轉(zhuǎn)換輸入通道，并且2個(gè)獨(dú)立的AD轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換速度可達(dá)6M以上，可以減少相位延遲，提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性;

4、三相圖騰柱PFC拓?fù)?三相交流220V與母線電壓大約700V，可以實(shí)現(xiàn)雙向 AC-DC變換運(yùn)行，并且使用空間矢量脈寬調(diào)制SVPWM技術(shù);

5、利用DSP的AD采樣確定3相電壓的正負(fù)半周切換，使用軟件鎖相環(huán)去鎖相采樣電壓與真實(shí)的電網(wǎng)電壓同相且同頻率，實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)的整流功能，軟件過(guò)零檢測(cè)電路用于檢測(cè)電網(wǎng)電壓狀態(tài)。

三、5KW三相圖騰柱PFC實(shí)物圖

四、方案規(guī)格

1 、交流輸入整流功能

3相輸入相電壓220V，頻率45Hz到60Hz.輸出電壓700V額定電壓。輸出功率5KW.80K的開(kāi)關(guān)頻率，PF值0.99，THD5%.最高效率97%。

2 、離線逆變器功能

直流電壓700V，輸出3相相位相差120度的380V離線逆變器，輸出功率5KW，開(kāi)關(guān)頻率80K.輸出頻率50Hz,THD5%,最高效率不低于97%。

五、方案原理圖

“三相5KW無(wú)橋PFC原理圖.pdf”文件有詳述。

文件免費(fèi)對(duì)外開(kāi)放，如需查看、下載，文章最后有下載指引。

六、工作原理

該方案的輸出電壓700V為設(shè)計(jì)目標(biāo)，因此控制電路有兩個(gè)目標(biāo)。第一，要求將輸出電壓穩(wěn)定在700V。第二，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)側(cè)的電壓和電流同相位。

利用鎖相環(huán)得到三相電壓實(shí)時(shí)的一個(gè)角度，如圖1所示。

圖1 PLL

將得到的角度參與到三相電壓和電流的DQ坐標(biāo)變換，得到Vd，Vq和Id,Iq。如圖2所示。

圖2 電壓電流坐標(biāo)變換

得到所有需要的參數(shù)之后，下階段是控制輸出電壓穩(wěn)定在700V。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)控制框圖如圖3所示。

圖3 前饋解耦PI控制系統(tǒng)框圖

如圖4所示為電壓電流雙環(huán)控制的一個(gè)仿真圖，和圖3原理一樣。將給定700V電壓與采集到的輸出實(shí)時(shí)電壓做差，經(jīng)過(guò)PI計(jì)算得到的數(shù)值作為電流內(nèi)環(huán)的給定值，再經(jīng)過(guò)圖3所示得控制原理得到Ud,Uq。Ud,Uq經(jīng)過(guò)反變換得到α和β參與到SVPWM的控制中之后即可得到調(diào)節(jié)輸出700V的所需的開(kāi)關(guān)管占空比。

圖4 雙環(huán)控制框圖

圖5為電壓調(diào)節(jié)過(guò)程整體圖。

圖5 電壓調(diào)節(jié)整體圖

圖6為電壓電流相位同步的過(guò)程

圖6 三相電壓與電流波形

圖7為電壓上升到700V的過(guò)程，可以看出此時(shí)PWM需要的脈寬較大，來(lái)維持電壓上升的一個(gè)過(guò)程。

圖7 PWM脈沖和輸出電壓上升波形

圖8為輸出電壓穩(wěn)定在700V的過(guò)程，看出此時(shí)PWM的脈寬減小，不要再增大脈寬增加輸出電壓。

圖8 PWM脈沖和輸出電壓穩(wěn)定波形

七、方案應(yīng)用場(chǎng)景案例

1、工業(yè)水泵與風(fēng)機(jī)有源濾波器

2、充電與換電站三相雙向PCS

3、三相UPS電路框圖

4、充電站超級(jí)電容組充電拓?fù)?/p>

PS：文件“三相5KW無(wú)橋PFC原理圖.pdf”和“使用瑞薩單片機(jī)做主控的相關(guān)代碼.zip”，對(duì)外開(kāi)放，如需下載，請(qǐng)進(jìn)入南京芯干線科技有限公司官網(wǎng)，打開(kāi)相關(guān)技術(shù)文章即可下載。