本文介紹了基于小華HC32F334數(shù)字電源控制器的雙向DC/DC雙有源橋(DAB,Dual Active Bridge)參考設(shè)計(jì)，著重介紹了：

通過(guò)HC32F334 HRPWM的移相功能實(shí)現(xiàn)三重移相控制；

利用HRPWM特色間歇控制模式輕松實(shí)現(xiàn)低紋波burst控制；

采用直接功率前饋控制，有效提升DAB方案的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能；

最后對(duì)比總結(jié)了雙向DC-DC拓?fù)涞膬?yōu)劣與發(fā)展趨勢(shì)。

更多功能歡迎大家親測(cè)品鑒。

1.參考設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

隨著新能源需求的增加，大功率雙向直流變換器受到越來(lái)越多的關(guān)注，雙有源橋以其卓越的雙向性能在新能源汽車、電力電子變壓器、可再生能源發(fā)電等場(chǎng)合有著重要的應(yīng)用。小華半導(dǎo)體基于HC32F334控制器推出了雙有源橋DAB應(yīng)用方案，其主要規(guī)格參數(shù)如下表所示：

表1 DAB規(guī)格參數(shù)

雙有源橋DAB的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和基于HC32F334的方案框圖如圖1.1所示。

圖1.1 小華DAB方案控制框圖

該方案主要實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下所示。

圖1.2 DAB參考設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

方案的主要優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn)概要總結(jié)如下表2所示。

表2 DAB方案優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn)

2.方案優(yōu)勢(shì)及特點(diǎn)

2.1 采用三重移相控制，系統(tǒng)效率高

傳統(tǒng)的DAB調(diào)制策略為單移相控制(SPS,Single Phase Shift)，僅通過(guò)調(diào)節(jié)兩側(cè)H橋輸出交流方波之間的移相角來(lái)控制功率的流動(dòng)。SPS控制操作簡(jiǎn)單，并且能夠?qū)崿F(xiàn)重載狀態(tài)下所有開關(guān)管的零電壓開通，當(dāng)電壓傳輸比為1時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)全功率范圍內(nèi)的ZVS。但當(dāng)DAB的電壓傳輸比不等于1時(shí)，在輕載狀態(tài)下部分開關(guān)管將會(huì)失去ZVS特性，如圖2.1所示（橫軸為原副邊移相角占空比，縱軸為功率標(biāo)幺值），且SPS控制下電流環(huán)流大，使得電流應(yīng)力大，進(jìn)一步導(dǎo)致系統(tǒng)效率降低。

圖2.1 SPS控制下軟開關(guān)范圍

本參考設(shè)計(jì)采用三重移相控制(TPS, Triple Phase Shift），在原副邊移相的基礎(chǔ)上、引入原邊橋臂移相角和副邊橋臂移相角兩個(gè)變量。在全功率范圍下實(shí)現(xiàn)ZVS或ZCS的同時(shí)，使得電流應(yīng)力最小。圖2.2給出了傳統(tǒng)SPS控制和本參考方案采用的TPS控制下的電流應(yīng)力對(duì)比，圖中橫軸為功率標(biāo)幺值，縱軸為電流應(yīng)力標(biāo)幺值，可以看出，TPS控制下電流應(yīng)力均小于SPS控制，且當(dāng)DAB接近滿載時(shí)，電流應(yīng)力較為接近，所以TPS控制策略在DAB輕載時(shí)優(yōu)化效果更好。

圖2.2 TPS和SPS控制下電流應(yīng)力變化曲線對(duì)比（紅色：TPS；藍(lán)色：SPS）

基于HC32F334的DAB控制框圖如圖2.3，控制兼容SPS和TPS兩種控制方案，可得到兩種控制下的效率對(duì)比，如圖2.4，可以看出采用TPS控制下效率普遍優(yōu)于SPS控制，特別是在輕載工況下效率有顯著提升。

圖2.3 基于HC32F334的DAB控制框圖

圖2.4 不同工況下的效率測(cè)試對(duì)比

2.2 基于直接功率前饋控制，動(dòng)態(tài)性能好

傳統(tǒng)電壓環(huán)控制下變換器的動(dòng)態(tài)性能與PI控制器相關(guān)，對(duì)于變換器不同的工作狀態(tài)，同一PI控制器參數(shù)并不適用，尤其在輸入電壓波動(dòng)、負(fù)載跳變時(shí)，輸出電壓需要較長(zhǎng)時(shí)間才能重新穩(wěn)定，在此過(guò)程中會(huì)伴隨一定的電壓跌落或超調(diào)。而變換器的輸出電壓之所以產(chǎn)生跌落和超調(diào)，其根本原因是輸出電容的充電功率Pin（即變換器傳輸功率）和放電功率Pout（即負(fù)載功率）不一致，導(dǎo)致電荷累積或釋放而引起母線電壓變比，因此，實(shí)現(xiàn)快速的功率平衡Pin=Pout，是保證快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)的核心所在，這種方法被稱為直接功率控制。DAB可以傳輸?shù)淖畲蠊β适?，?duì)實(shí)際負(fù)載功率標(biāo)幺化可得：

DAB可以傳輸?shù)淖畲蠊β适?/p>

對(duì)實(shí)際負(fù)載功率Vout Iout標(biāo)幺化可得：

Ppu作為功率前饋與PI環(huán)結(jié)果（用來(lái)抵消系統(tǒng)損耗導(dǎo)致的額外功率消耗和參數(shù)離散性）相加得到最終的輸入功率標(biāo)幺值，然后通過(guò)TPS各占空比計(jì)算公式得到此時(shí)的各移相角。圖 2.5是正向運(yùn)行時(shí)，額定輸入380V，輸出48V，負(fù)載從10%突變到90%的波形如圖 2.5，系統(tǒng)從突發(fā)模式切換至正常運(yùn)行，采用直接功率控制加載瞬間電壓跌落約2V，跌落深度小于5%（2.4V），而傳統(tǒng)控制跌落約5.2V，超過(guò)10%的跌落深度，可以看出直接功率控制下瞬態(tài)性能得到了顯著提升。

圖2.5 負(fù)載從10%突變到90%（正向運(yùn)行，輸入380V）（左：傳統(tǒng)PI控制；右：功率直接控制）

3.HC32F334對(duì)優(yōu)異性能的支持

3.1 HRPWM 130ps高分辨率移相功能對(duì)精準(zhǔn)移相控制的支持

目前DAB主流控制策略為移相控制，又分為一重移相控制，雙重移相控制和三重移相控制。通過(guò)選擇調(diào)整原副邊相位，原邊橋臂間的相位以及副邊橋臂間相位中的一個(gè)或多個(gè)相位作為控制量，來(lái)實(shí)現(xiàn)功率傳輸。因此DAB移相控制需要控制器提供穩(wěn)定可靠動(dòng)態(tài)調(diào)整相位的4組PWM波。

HC32F334的HRPWM支持最多6對(duì)PWM的移相或交錯(cuò)控制，滿足DAB的4對(duì)互補(bǔ)PWM的資源需求；且支持最高分辨率130ps的相位調(diào)整，可實(shí)現(xiàn)相位動(dòng)態(tài)調(diào)整。HRPWM模塊支持三角波和鋸齒波兩種計(jì)數(shù)模式下的相位匹配，參考方案采用鋸齒波計(jì)數(shù)模式，因此以鋸齒波計(jì)數(shù)模式為例介紹該模塊實(shí)現(xiàn)移相控制發(fā)波示意圖如圖3.1，單元1為主單元，單元2-6為從單元，單元1有5個(gè)相位比較基準(zhǔn)值寄存器，以PHSCMP1A為例，當(dāng)主單元即單元1計(jì)數(shù)counter等于PHSCMP1A時(shí)產(chǎn)生相位匹配事件，從單元在相位匹配事件發(fā)生時(shí)做出啟動(dòng)和清零兩種動(dòng)作，通過(guò)改變PHSCMP1A的值，即可改變主單元和從單元的相位關(guān)系。為了方便實(shí)現(xiàn)雙向功率流動(dòng)下的超前和滯后相位的實(shí)現(xiàn)，如圖3.2，以單元1作為基準(zhǔn)單元，單元2，單元3，單元6和單元4分別選擇4個(gè)相位比較基準(zhǔn)寄存器PHSCMP1A~PHSCMP4A同步來(lái)實(shí)現(xiàn)相對(duì)主單元1移相發(fā)波，間接來(lái)控制從單元2、3、6和4之間相位關(guān)系，實(shí)現(xiàn)超前和滯后的靈活變化。

圖3.1 HRPWM實(shí)現(xiàn)移相控制發(fā)波示意圖

圖3.2 DAB PWM配置

3.2 HRPWM特色間隔輸出控制器對(duì)輕載突發(fā)模式的支持

在電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為了在系統(tǒng)處于空載或輕載工況時(shí)提高系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率、降低功耗，需要進(jìn)入突發(fā)模式（burst模式）：即通過(guò)間歇式開關(guān)，周期性開啟或關(guān)閉PWM，減少不必要的開關(guān)。利用傳統(tǒng)MCU做控制時(shí)需要軟件額外消耗算力去控制間歇周期，HC32F334特色間歇輸出控制模式可以協(xié)助用戶輕松實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)行與burst模式的平滑切換。該參考設(shè)計(jì)采用HC32F334特色間隔輸出功能實(shí)驗(yàn)波形如下圖所示，圖3.3和圖3.4中系統(tǒng)處于正向運(yùn)行，額定380V輸入，48V輸出，圖3.3為負(fù)載0.1A時(shí)的輸出波形，可以看出由于burst控制下輸出電壓穩(wěn)定，沒(méi)有明顯波動(dòng)，圖3.4中可以看出當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，特色間歇輸出控制器可以平滑切出burst模式，進(jìn)入正常運(yùn)行模式。

圖3.3 輕載burst運(yùn)行實(shí)驗(yàn)波形（正向）

圖3.4 burst模式切出波形

HRPWM的間隔輸出控制器的功能簡(jiǎn)介如下：控制器允許通過(guò)硬件控制HRPWM_PWMA交替輸出空閑狀態(tài)（停止輸出有效PWM）和運(yùn)行狀態(tài)（輸出有效PWM）。在間隔輸出空閑狀態(tài)下，HRPWM_PWMA的端口狀態(tài)可以設(shè)置為不受影響或者輸出空閑狀態(tài)的電平。間隔輸出控制器包括：

-1個(gè)計(jì)數(shù)器（BM-counter）

-1個(gè)比較寄存器：HRPWM_BMCMAR，用以定義空閑狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間

-1個(gè)周期寄存器：HRPWM_BMPERAR，用以定義空閑狀態(tài)和運(yùn)行狀態(tài)的總和

間隔輸出控制器支持兩種模式，當(dāng)配置使其工作在模式1時(shí)，如圖3.5，當(dāng)觸發(fā)信號(hào)發(fā)生時(shí)，間隔輸出先進(jìn)入空閑，間隔輸出的空閑時(shí)間持續(xù)BMPCMAR+1個(gè)間隔輸出計(jì)數(shù)時(shí)鐘周期，之后當(dāng)BM-counter等于BMCMAR時(shí)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)；當(dāng)間隔輸出工作在模式2時(shí)，如圖3.6，當(dāng)觸發(fā)信號(hào)發(fā)生時(shí)，間隔輸出先進(jìn)入1個(gè)間隔輸出計(jì)數(shù)時(shí)鐘周期的運(yùn)行狀態(tài)，再進(jìn)入空閑狀態(tài)，空閑時(shí)間的持續(xù)時(shí)間為BMPCMAR個(gè)間隔輸出計(jì)數(shù)時(shí)鐘周期，之后再進(jìn)入運(yùn)行模式直至BM-counter等于BMPERAR。

圖3.5 間隔輸出模式1時(shí)序圖

圖3.6 間隔輸出模式2時(shí)序圖

參考方案采用模式2，控制BMCMAR的值，來(lái)控制輸出脈沖個(gè)數(shù)，當(dāng)BMCMAR=0時(shí)進(jìn)入全運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)BMCMAR=BMPERAR+1時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入全空閑狀態(tài)，不需要改變控制寄存器即可平滑進(jìn)入或退出burst模式。模式2下用戶可以選擇固定間隔控制的周期寄存器值，改變輸出脈沖個(gè)數(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出電壓平滑控制或者可以固定輸出脈沖周期個(gè)數(shù)，通過(guò)改變間隔控制的周期寄存器值來(lái)實(shí)現(xiàn)burst控制。參考設(shè)計(jì)DAB方案中選擇的是前一種控制方式，BMCMAR的計(jì)算方式如下，

其中P為控制環(huán)路輸出，Pth為進(jìn)入間隔模式的閾值。

當(dāng)P≥Pth時(shí)，限制BMCMAR最小值到0，此時(shí)系統(tǒng)進(jìn)入全運(yùn)行模式；

當(dāng)P＜Pth時(shí)，BMCMAR值為處于空閑模式的cycle數(shù)，進(jìn)入間隔模式；

當(dāng)P = 0時(shí)，BMCMAR = BMCMAR + 1，系統(tǒng)進(jìn)入全空閑模式。

4.雙向DC/DC拓?fù)浒l(fā)展趨勢(shì)

目前，雙向DC-DC變換器主要分為非隔離式和隔離式，常用拓?fù)涞膶?duì)比如下表3。

表3 常用DCDC變換器拓?fù)浔容^

非隔離型DC-DC雙向變換器有Buck變換器，Boost變換器，Buck-Boost變換器，Cuk變換器，Sepic變換器，Zeta變換器等。其中雙向Buck/Boost變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能量轉(zhuǎn)化效率較高，被廣泛應(yīng)用。但非隔離型變換器受限于其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，電壓調(diào)節(jié)范圍較小，只適用于小功率等級(jí)和無(wú)需電氣隔離的場(chǎng)合。

隔離式拓?fù)渲饕梢苑譃榉醇?、正激、推挽、半橋、全橋等結(jié)構(gòu)，在半橋或全橋結(jié)構(gòu)中加入諧振單元，如LC，LLC，CLLC，CLLLC等即可變成諧振變換器。其中全橋硬開關(guān)DCDC結(jié)構(gòu)和控制簡(jiǎn)單，廣泛應(yīng)用于小功率場(chǎng)景。但在功率較大電壓等級(jí)較高的應(yīng)用場(chǎng)景中，雙有源橋結(jié)構(gòu)即原副邊均采用全橋結(jié)構(gòu)得到了更廣泛的應(yīng)用，其具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)稱，方便實(shí)現(xiàn)功率雙向流動(dòng)，功率密度高，可實(shí)現(xiàn)ZVS等優(yōu)勢(shì)，因此廣泛應(yīng)用于戶外充電樁、戶儲(chǔ)DC-DC等領(lǐng)域。非諧振型DAB電路拓?fù)涫抢脝坞姼羞M(jìn)行能量傳遞的結(jié)構(gòu)，為了系統(tǒng)效率的提高和功率密度的改善，諧振型DAB開始受到重視，將LC串聯(lián)諧振與DAB相結(jié)合，得到了串聯(lián)諧振型雙有源橋（SRDAB），圖4.1，該電路僅通過(guò)加入一個(gè)諧振電容元件即可使諧振電感電流趨于正弦波，有效濾除了電流中的高頻分量，而且變換器的雙向能量傳輸能力也十分出眾，因而也被廣泛應(yīng)用。

圖4.1 串聯(lián)諧振型雙有源橋變換器拓?fù)?/p>

在SRDAB變換器基礎(chǔ)上也演變出不同的諧振類型，如LLC型，LCC型，CLLLC型等，但在雙向應(yīng)用中有局限性，LLC型DAB反向工作時(shí)軟開關(guān)特性差，在雙向功率傳輸應(yīng)用中并不理想；LCC型DAB由于電路不對(duì)稱性使得變換器的正反向工作狀態(tài)不同，需要根據(jù)不同的工作狀態(tài)制定不同的方案，在實(shí)際應(yīng)用中難以發(fā)揮作用；CLLLC型在LLC基礎(chǔ)上在副邊增加了一組LC，雖然實(shí)現(xiàn)了電路拓?fù)涞膶?duì)稱性，但是增加了較多的諧振原件，使得成本升高，且不利于高功率密度的實(shí)現(xiàn)。

因此綜合考慮下，SRDAB變換器具有元器件相對(duì)較少，寬電壓范圍，高效率，易于實(shí)現(xiàn)雙向能量傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，在大功率DC/DC雙向變換器中被廣泛使用。傳統(tǒng)DAB以及SRDAB的當(dāng)前調(diào)制方案的發(fā)展趨勢(shì)均是多自由度和高靈活性，普遍選擇包括移相調(diào)制，變頻調(diào)制和脈沖寬度調(diào)制在內(nèi)的調(diào)制方法，小華HC32F334很好地支持上述三種調(diào)制方式，歡迎大家開發(fā)探討。小華會(huì)也將開發(fā)SRDAB參考設(shè)計(jì)，敬請(qǐng)期待。

2.總結(jié)

雙有源橋DAB以其雙向運(yùn)行的對(duì)稱性，模塊化程度高，具有電氣隔離等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車，儲(chǔ)能系統(tǒng)和微電網(wǎng)等領(lǐng)域。本文詳細(xì)介紹了基于小華HC32F334數(shù)字電源控制器的雙有源橋DAB參考設(shè)計(jì)，重點(diǎn)介紹了小華自研HRPWM模塊靈活的移相控制；同時(shí)HRPWM的間隔輸出模式方便實(shí)現(xiàn)輕載burst輸出，減小burst模式下輸出紋波；在應(yīng)用算法上，采用直接功率控制和三重移相控制：相比于一重移相控制，三重移相控制能明顯提高系統(tǒng)效率，特別是輕載工況下，效率提升更加明顯；加入的直接輸出功率前饋控制，相比于單純PID補(bǔ)償器調(diào)節(jié)能極大地提高動(dòng)態(tài)性能。

上述分析表明，小華HC32F334從芯片層面保證了實(shí)現(xiàn)移相控制和間隔輸出控制，讓用戶使用起來(lái)更便捷、更安全！同時(shí)應(yīng)用算法上也基于行業(yè)know-how進(jìn)行了瞬態(tài)性能優(yōu)化，數(shù)字電源控制小華更懂你！

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