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選擇雙向轉(zhuǎn)換器控制方案

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選擇雙向轉(zhuǎn)換器控制方案

48V-12V雙電池電源系統(tǒng)正普通用于輕度混合動力電動車。車輛的動態(tài)工作條件可能需要在兩個電池軌道之間來回傳送高達(dá)10kW的電功率。由于移動車輛中的各種操作情況,控制一個方向或另一個方向上的功率流需求可以說是一個相當(dāng)復(fù)雜的任務(wù),需要數(shù)字控制方案的智能。因此,當(dāng)?shù)钠囍圃焐毯鸵患壒?yīng)商開始開發(fā)48V-12V雙向電源轉(zhuǎn)換器時,大多數(shù)都采用了全數(shù)字方法。

全數(shù)字解決方案成本昂貴,因?yàn)樗鼈冃枰S多離散的模擬電路。這些模擬電路包括精密電流檢測放大器、功率MOSFET柵極驅(qū)動器、監(jiān)視和保護(hù)電路等。由于電路板上的設(shè)備數(shù)量龐大,離散解決方案顯得笨重且不可靠。為了減少解決方案尺寸和降低成本,同時提高性能和系統(tǒng)級可靠性,一些一級供應(yīng)商正在尋找一種混合架構(gòu),其中微控制器處理更高級別的智能管理,且高度集成的模擬控制器實(shí)現(xiàn)電源轉(zhuǎn)換器級。在這篇博文中,我將討論如何確定這種模擬控制器的合適的控制方案。

表1總結(jié)了不同控制方案的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

適配器
表1:控制方案比較

A48V-12V雙向轉(zhuǎn)換器通常必須具有高精度的電流調(diào)節(jié)(優(yōu)于3%),以便地控制從一個電池軌到另一個電池軌傳輸?shù)墓β柿?。由于高功率,系統(tǒng)通常需要交錯并行操作中的多相電路,以共享總負(fù)載,并且共享應(yīng)當(dāng)在各個相之間均衡。因此,電壓控制模式不適合,因?yàn)槠洳荒軐?shí)現(xiàn)多相共享。

基于峰值電感器電流生成脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號的峰值電流模式控制方案可實(shí)現(xiàn)多相共享。然而,共享平衡很大程度上受功率電感器公差的影響。功率電感器通常具有±10%的公差,導(dǎo)致顯著的共享誤差,從而導(dǎo)致不同相位的失衡功率耗散。更糟的是,電感器的峰值電流具有與DC電流的固有誤差,導(dǎo)致電流調(diào)節(jié)較不,進(jìn)而導(dǎo)致功率輸送不太準(zhǔn)確。

傳統(tǒng)的平均電流模式控制方案解決了峰值電流模式控制的電流誤差問題,因?yàn)樗{(diào)節(jié)了平均電感電流,并消除了電感公差對電流調(diào)節(jié)的影響。然而,電廠傳遞函數(shù)隨著工作電壓和電流條件而變化,并且雙向操作需要兩種不同的環(huán)路補(bǔ)償。

為了克服常規(guī)平均電流模式控制方案的挑戰(zhàn)并簡化實(shí)際電路實(shí)現(xiàn),TI為48V-12V雙向轉(zhuǎn)換器工作開發(fā)了創(chuàng)新的平均電流模式控制方案,如圖1和表1所示。功率級包括:

高側(cè)FET(Q1)。
低側(cè)FET(Q2)。
功率電感器(Lm)。
電流檢測電阻(Rcs)。
兩個電池,一個在HV端口,另一個在LV端口。
控制電路包括:

增益為50的電流檢測放大器,通過方向指令DIR(“0”或“1”)進(jìn)行方向轉(zhuǎn)向。
跨導(dǎo)放大器用作電流環(huán)路誤差放大器,在非反相引腳施加參考信號(ISET),以設(shè)置相位直流電流調(diào)節(jié)值。
PWM比較器。
與HV-Port電壓成比例的斜坡信號。
由DIR控制的轉(zhuǎn)向電路,用于施加PWM信號以控制Q1或Q2作為主開關(guān)。
COMP節(jié)點(diǎn)處的環(huán)路補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。
Rcs感應(yīng)電感電流,且信號被放大50倍。該信號被發(fā)送到跨導(dǎo)放大器的反相輸入,導(dǎo)致COMP節(jié)點(diǎn)處的誤差信號,該節(jié)點(diǎn)也是PWM比較器的非反相輸入的節(jié)點(diǎn)。比較誤差信號和斜坡信號產(chǎn)生PWM信號。由DIR命令控制,PWM信號可控制Q1進(jìn)行降壓模式操作,并強(qiáng)制電流從HV端口流向LV端口,或當(dāng)發(fā)送到Q2時,反轉(zhuǎn)電流流動的方向。


表2:變流器功率裝置傳遞函數(shù)(KFF是斜坡發(fā)生器系數(shù);Vramp = KFF×VHV-端口;Rs是沿著功率流路徑的有效總電阻,不包括Rcs)

 充電器

表2所示為新控制方案的優(yōu)點(diǎn)。電廠傳遞函數(shù)對于雙向操作是相同的,它是一階系統(tǒng)。此外,傳遞函數(shù)與諸如端口電壓和負(fù)載電流水平的操作條件無關(guān)。因此,應(yīng)用單個II型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)將在所有工作條件下始終穩(wěn)定雙向轉(zhuǎn)換器,大大簡化了實(shí)際電路的運(yùn)用,并提高了性能。

TI的專有平均電流模式控制方案適用于汽車48V-12V雙向電流控制器。它需要單個II型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)來覆蓋雙向操作,而不管操作條件如何。電流調(diào)節(jié)精度——盡管存在電感公差,但均勻共享高功率等的自然的多相并聯(lián)操作將大大簡化高性能的雙向轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)。TI在LM5170-Q1多相雙向電流控制器中實(shí)現(xiàn)了這種控制方案。閱讀博文“雙電池系統(tǒng)中的汽車48V和12V電源互聯(lián)”,了解如何克服設(shè)計(jì)混合電動車電源的挑戰(zhàn)。

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| 發(fā)布時間:2017.04.21    來源:適配器、充電器
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