Двунаправленный DC/DC-преобразователь Xiaohua (Huada) по топологии «двойной активный мост» на базе микроконтроллера HC32F334

Двунаправленный DC/DC-преобразователь производства компании Xiaohua Semiconductor (дочернего предприятия Huada Semiconductor) построен по топологии «двойной активный мост» и реализован на базе микроконтроллера серии HC32F334. Основными особенностями такого решения являются:

• возможность использования метода TPS (Triple Pulse Switching) для управления силовыми ключами, что в ряде случаев позволяет существенно увеличить эффективность работы преобразователя по сравнению с применением традиционного метода SPS (Single Pulse Switching);
• поддержка функции прямого управления мощностью, улучшающей динамический отклик и устойчивость работы системы при скачкообразных изменениях нагрузки и/или входного напряжения;
• реализация пакетного (прерывистого) режима работы штатными средствами микроконтроллера HC32F334, что позволяет сэкономить его вычислительные мощности.

В конце статьи будут кратко рассмотрены тенденции развития двунаправленных DC/DC-преобразователей.

 

Общие сведения

Традиционные преобразователи постоянного тока (DC/DC-преобразователи) способны осуществлять передачу энергии только от входа к выходу. Однако в современной энергетике все чаще применяются возобновляемые источники энергии (ВИЭ), а системы с их использованием характеризуются двунаправленным потоком мощности. Одним из лучших вариантов для приложений ВИЭ - использование изолированных DC/DC-преобразователей, среди которых наиболее перспективными являются решения, построенные по топологии двойного активного моста (DAB, Dual Active Bridge).

Такой мост состоит из двух полных мостов Q1…Q4 и Q5…Q8, расположенных на первичной и вторичной сторонах преобразователя и разделенных высокочастотным трансформатором и индуктором.

   

Трансформатор обеспечивает изоляцию и согласование напряжения между первичной и вторичной сторонами, дроссель L_AUX служит элементом накопления мгновенной энергии. В процессе работы DAB мост Q1…Q4 формирует прямоугольные импульсы на первичной стороне трансформатора, а Q5…Q8 – на вторичной. Эти последовательности импульсов сдвинуты по фазе относительно друг друга, при этом величина и направление передаваемой энергии определяются значением и зна́ком данного сдвига, соответственно. Таким образом, выходную мощность источника можно изменять при помощи фазовой регулировки последовательностей импульсов на выходе мостов Q1…Q4 и Q5…Q8.

Для упрощения разработки мощных двунаправленных источников питания компания Xiaohua выпустила готовое решение в виде силового модуля, построенного по топологии двойного активного моста и управляемого специализированным микроконтроллером HC32F334.

Модуль имеет следующую структурную схему:

Основные характеристики силового модуля Xiaohua:

Благодаря применению передовых методов управления двойным активным мостом производителю удалось достичь достаточно высокой эффективности устройства, что можно видеть по графикам КПД модуля, полученным в результате экспериментов. Здесь и далее аббревиатуры TPS и SPS указывают на используемый способ модуляции, а цифра, следующая за ними, обозначает входное напряжение моста.

 

Передача энергии с первичной стороны на вторичную	Передача энергии со вторичной стороны на первичную
POUT / PMAX	POUT / PMAX
POUT / PMAX	POUT / PMAX

Особенности модуля, предлагаемого компанией Xiaohua

Передовые решения, используемые компанией Xiaohua Semiconductor в силовом модуле на базе контроллера HC32F334, позволяют повысить эффективность преобразования энергии. Чтобы реализовать оптимальное применение каждого из них, рассмотрим особенности и преимущества.

Управление силовыми ключами

Одним из главных преимуществ двойного активного моста является возможность работы силовых ключей в режиме ZVS (Zero Voltage Switching). При таком способе управления транзисторы мостов включаются и выключаются только в те моменты времени, когда напряжение на них равно или близко к нулю. Это существенно уменьшает динамические потери в преобразователе, а также благоприятно сказывается на уровне электромагнитных помех и нагреве элементов в силовой части. Кроме того, снижение потерь на переключение позволяет увеличить рабочую частоту устройства, что дает возможность применить более компактные реактивные элементы и, в конечном счете, уменьшить габариты преобразователя.

В двойном активном мосте, по схеме которого построен модуль на базе HC32F334, режим ZVS обеспечивается за счет внутренних диодов силовых ключей [1]. Очевидно, что если в момент включения или выключения транзистора его внутренний диод открыт, то участок «сток-исток» будет зашунтирован p-n-переходом диода, и, следовательно, транзистор будет включен или выключен практически при нулевом напряжении.

Таким образом, главным условием для работы ключей двойного активного моста в режиме ZVS является протекание «отрицательного» (от истока к стоку) тока через транзистор при его переключении. Однако добиться соблюдения этого условия получается далеко не всегда.

Обычно для управления силовыми транзисторами двойного активного моста используется самый простой и бюджетный метод SPS (Single Pulse Switching). При таком способе мосты Q1…Q4 и Q5…Q8 формируют на первичной и вторичной сторонах трансформатора исключительно меандры υ_H1 и υ_H2, а выходная мощность преобразователя может регулироваться только за счет изменения фазового сдвига d_φ между ними.

Можно сказать, что метод управления SPS позволяет добиться работы всех транзисторов активного моста в режиме ZVS лишь при максимальной нагрузке преобразователя либо при единичном коэффициенте передачи напряжения (M = 1) [1]. Однако если M ≠ 1, ключи начинают постепенно выходить из режима ZVS, особенно при малой нагрузке или на холостом ходу. Кроме того, для метода SPS характерны высокие циркулирующие (реактивные) токи, которые возникают в индукторе L_AUX и создают дополнительные потери в преобразователе. Поэтому компания Xiaohua добавила в модуль на базе контроллера HC32F334 поддержку более сложного, но и более эффективного метода управления ключами - TPS (Triple Pulse Switching). Он дает возможность не только регулировать сдвиг фаз между напряжениями на первичной и вторичной сторонах трансформатора, но и вводить дополнительные фазовые сдвиги d₁ и d₂ внутри каждого из мостов Q1…Q4 и Q5…Q8.

В результате сигналы υ_H1 и υ_H2 превращаются из меандров в трехуровневые «ступеньки», что позволяет снизить паразитные реактивные токи и существенно расширить диапазон условий, при которых транзисторы двойного активного моста будут работать в режиме ZVS [2].

Отметим, что в силовом модуле на базе микроконтроллера HC32F334, выпускаемом компанией Xiaohua, предусмотрена поддержка обоих методов управления: как SPS, так и TPS.

Однако сравнение эффективности работы преобразователя в одинаковых условиях доказывает, что в большинстве случаев более предпочтительным является TPS, особенно на малых нагрузках и при коэффициенте передачи напряжения M, достаточно сильно отличающемся от единицы.

 

Передача энергии с первичной стороны на вторичную M = (nV2)/V1; V2 = 48 В; n = 8	Передача энергии со вторичной стороны на первичную M = V1/(nV2); V1 = 380 В; n = 8
POUT / PMAX (M = 1,011)	POUT / PMAX (M = 0,990)
POUT / PMAX (M = 1,097)	POUT / PMAX (М = 1,131)
POUT / PMAX (M = 0,914)	POUT / PMAX (М = 0,864)

 

Функция прямого управления мощностью

Динамические характеристики любого преобразователя энергии со стабилизацией выхода определяются параметрами петли обратной связи, осуществляющей эту стабилизацию. При этом одни и те же ее параметры вызовут разное поведение источника тока в различных рабочих ситуациях. В частности, параметры, осуществляющие удовлетворительную стабилизацию выхода при плавном изменении нагрузки или входного напряжения, при скачкообразном их изменении обычно дают на выходе выброс или провал, которые могут длиться достаточно долго.

Причина возникновения этих артефактов заключается в несоответствии мощности, которая передается в нагрузку преобразователем и реально потребляется ею в текущий момент времени. Это явление возникает из-за того, что система не может мгновенно отработать резкое внешнее воздействие из-за наличия инерционности петли обратной связи и управляющего контроллера. При этом очевидно, что чем быстрее сравняются передаваемая и потребляемая мощности, тем короче будет выброс или провал на выходе преобразователя. В силовом модуле Xiaohua на базе микроконтроллера HC32F334 для ускорения достижения этого баланса используется функция прямого управления мощностью. При таком способе организации петли обратной связи преобразователь регулирует свою выходную мощность напрямую, а не косвенно (то есть посредством опорного тока или напряжения). Такой подход обычно обеспечивает улучшенные динамические характеристики системы по сравнению с традиционными методами. В случае двойного активного моста для прямого управления мощностью может использоваться коэффициент P_PU, численно равный нормированному значению текущей выходной мощности преобразователя [3]:

Данный коэффициент добавляется к выходному сигналу традиционного контура обратной связи, собранного на пропорционально интегрирующих звеньях, после чего результат суммирования используется для расчета требуемого фазового сдвига напряжений на первичной и вторичной сторонах трансформатора.

На рисунках ниже приведены результаты работы преобразователя Xiaohua на базе силового модуля при резком изменении нагрузки с 10% до 90% для номинальных условий (V_IN = 380 В, V_OUT = 48 В). Левый соответствует традиционному способу стабилизации выхода (ПИ-контуру), на правом использовалось прямое управление мощностью.

В первом случае в момент изменения нагрузки выходное напряжение преобразователя падает на 5,2 В, что составляет более 10% от его номинального значения. Во втором - падение не превышает 2,1 В (менее 5% от номинала), к тому же длительность провала практически в два раза меньше. Данный пример демонстрирует значительное улучшение переходных характеристик системы при использовании функции прямого управления мощностью.

 

Модуль формирования ШИМ-сигналов высокого разрешения

Поскольку двойной активный мост содержит в себе восемь силовых транзисторов, для управления ими в общем случае требуются четыре пары комплементарных ШИМ-сигналов. Кроме того, управление ключами посредством метода TPS является сравнительно сложной процедурой. В частности, для формирования необходимых сигналов на первичной и вторичной обмотках трансформатора требуется, чтобы каждая из четырех пар ШИМ-сигналов могла быть сдвинута по фазе относительно остальных.

При этом фазовый сдвиг должен быть стабильным, иметь минимальный джиттер, а также обладать высоким разрешением, чтобы дискретность его изменения была незаметна в процессе работы преобразователя.

В состав контроллера HC32F334 входит специализированный модуль формирования ШИМ-сигналов HRPWM (High-Resolution PWM), который полностью соответствует вышеуказанным требованиям. Данный модуль имеет шесть пар комплементарных сигналов с широтно-импульсной модуляцией, а его максимальное разрешение по фазе составляет 130 пс, что вполне достаточно для подавляющего большинства приложений. Кроме того, HRPWM может работать в режимах прямого и двунаправленного счета (отметим, что в силовом модуле производства компании Xiaohua используется только первый режим).

Модуль HRPWM состоит из шести таймеров (HRPWM1…HRPWM6), причем таймер HRPWM1 является ведущим, а HRPWM2… HRPWM6 – ведомые. В рассматриваемом изделии таймер HRPWM5 не задействован, а остальные организованы по следующей схеме:

 

Ведущий таймер HRPWM1 используется в качестве источника импульсов синхронизации, а ШИМ-сигналы для непосредственного управления силовыми транзисторами преобразователя формируются при помощи ведомых модулей HRPWM2, HRPWM3, HRPWM6 и HRPWM4. Необходимые фазовые сдвиги для каждой пары транзисторов формируются при помощи регистров сравнения PHSCMP1…PHSCMP4. При этом следует отметить, что каждый из ведомых таймеров автоматически вносит в формируемый сигнал мертвое время для обеспечения безопасной работы мостов.

 

Контроллер пакетного режима работы

Пакетный (прерывистый) режим работы преобразователя (Burst Mode) предназначен для снижения его энергопотребления при работе с малой нагрузкой или на холостом ходу. В этом режиме контроллер формирует управляющие сигналы для силовых ключей не постоянно, а периодически - небольшими пачками (пакетами). В моменты подачи импульсов преобразователь подзаряжает выходной конденсатор, после чего мощность на нагрузке поддерживается исключительно за счет этого конденсатора, поскольку силовая часть источника выключается для снижения энергопотребления системы.

Очевидно, что программная реализация пакетного режима потребует от управляющего микроконтроллера дополнительных вычислительных мощностей. В связи с этим компания Xiaohua включила в состав микросхемы HC32F334 специальный контроллер прерывистого режима работы преобразователя. Он позволяет аппаратно переключать выходы МК, управляющие силовыми транзисторами мостов, в режим ожидания (IDLE), а затем снова переводить их в рабочее состояние (RUN), при этом длительность обоих режимов может быть запрограммирована пользователем. В результате на соответствующем ШИМ-выходе появятся один или несколько импульсов. За ними последует интервал простоя (равный одному или нескольким тактам внутреннего счетчика), в течение которого выходные импульсы генерироваться не будут.

Следует также отметить, что контроллер пакетного режима, входящий в состав микросхемы HC32F334, позволяет пользователю легко добиться плавного перехода между прерывистым и нормальным режимами работы преобразователя. На рисунке ниже показан такой переход при изменении выходного тока с 0,1 А до 10 А для номинальных условий, при которых V_IN = 380 В, V_OUT = 48 В.

На осциллограмме хорошо заметно отсутствие каких-либо значимых бросков или пропаданий напряжения/тока при переходе преобразователя из пакетного режима работы в нормальный.

Контроллер пакетного режима микросхемы HC32F334 включает в себя:

• инкрементный счетчик BMCNTR;
• регистр сравнения HRPWM_BMCMPAR, позволяющий задать длительность состояния ожидания (IDLE);
• регистр периода HRPWM_BMPERAR, дающий возможность запрограммировать суммарную длительность состояний RUN и IDLE. Фактически данный регистр определяет частоту повторения пачек управляющих импульсов.

На следующем рисунке показана логика работы контроллера пакетного режима, реализованная в силовом модуле Xiaohua на базе микросхемы HC32F334.

 

При появлении сигнала запуска пакетного режима выход переходит в рабочее состояние (RUN) на один такт счетчика BMCNTR, а затем переключается в состояние ожидания (IDLE). Оно длится столько тактов, сколько указано в регистре HRPWM_BMCMPAR. После этого выход вновь переходит в состояние RUN, длительность которого равна разнице значений регистров HRPWM_BMPERAR и HRPWM_BMCMPAR плюс один. Далее процесс повторяется, позволяя контроллеру генерировать не непрерывную последовательность, а пачки управляющих импульсов.

Следует обратить внимание на то, что при нулевом значении счетчика BMCNTR формирование импульсов на выходе разрешено, поэтому при HRPWM_BMCMPAR = 0 выходной сигнал будет генерироваться без пропусков. С другой стороны, запись в регистр HRPWM_BMCMPAR значения HRPWM_BMPERAR + 1 приведет к полному выключению выхода.

В рассматриваемом силовом модуле реализован автоматический вход в пакетный режим и выход из него. Для этого вводится пороговое значение P_th, которое сравнивается с выходным сигналом петли обратной связи P:

• при P ≥ P_th система должна работать в нормальном режиме, поэтому значение регистра HRPWM_BMCMPAR принудительно приравнивается к 0, что переводит преобразователь в полную работоспособность, поскольку управляющие импульсы генерируются без пропусков;
• при P < P_th система должна перейти в пакетный режим, поэтому в регистр HRPWM_BMCMPAR записывается количество тактов счетчика BMCNTR, рассчитанное по формуле:

;

• при P = 0 система должна перейти в режим холостого хода, поэтому в регистр HRPWM_BMCMPAR записывается значение HRPWM_BMPERAR + 1, что полностью выключает силовую часть преобразователя.

 

Тенденции развития двунаправленных DC/DC-преобразователей

В настоящее время в системах питания с большой выходной мощностью все чаще полумостовые и мостовые схемы вытесняются двухмостовыми топологиями, использующими полные мосты как на первичной стороне, так и на вторичной. Несмотря на относительную экономичность и простоту конструкции первых, без дополнительных схемотехнических решений они не могут обеспечить такого же эффективного преобразования энергии, как двойные мосты. Кроме того, обычная мостовая топология принципиально не может быть использована там, где требуется двунаправленный поток мощности, поскольку она является однонаправленной. Именно поэтому двухмостовые схемы находят все большее применение в современной электронике. Например, без них не обойтись при проектировании уличных зарядных станций, микросетей умных домов и предприятий, мощных бытовых DC/DC-преобразователей и другого оборудования.

Рассмотренный в данной статье двойной активный мост представляет собой нерезонансную топологию, в которой для передачи энергии используется один индуктор. Однако в настоящее время все больше внимания уделяется исследованиям и разработке резонансных DAB, позволяющих дополнительно увеличить КПД импульсного преобразователя. Одна из разновидностей таких схем – последовательный резонансный двойной активный мост (SRDAB), объединяющий в себе два полных моста, трансформатор и LC-цепь.

Такая схема путем простого добавления резонансного конденсатора C_S позволяет приблизить ток индуктора L_S к синусоиде, что эффективно отфильтровывает его высокочастотные составляющие и уменьшает потери в преобразователе. Кроме того, коэффициент полезного действия SRDAB практически не зависит от направления передачи энергии, поэтому данная топология привлекает повышенное внимание разработчиков.

По аналогии с SRDAB также были разработаны другие резонансные типы двойных активных мостов, например, LLC-DAB, LCC-DAB, CLLLC-DAB и так далее, однако данные схемы имеют ограничения в двунаправленных приложениях. Например, LLC-DAB уходит из режима ZVC при работе в обратном направлении, а LCC-DAB характеризуется разными рабочими состояниями преобразователя при прямой и обратной передачах мощности из-за асимметрии схемы. Мост типа CLLLC представляет собой LLC-DAB с LC-цепочкой, добавленной на вторичную сторону, что делает топологию симметричной, но при этом увеличивает габариты и стоимость конечного изделия из-за большего количества резонансных компонентов.

С учетом этих факторов, а также благодаря относительно небольшому количеству компонентов, широкому диапазону входных и выходных напряжений, высокому КПД и простоте реализации двунаправленной передачи энергии сегодня наиболее перспективным является применение преобразователей типа SRDAB. Уже сейчас компания Xiaohua Semiconductor разрабатывает типовой силовой модуль на базе микроконтроллера HC32F334, аналогичный рассмотренному, но построенный по резонансной топологии SRDAB.

Вся линейка продукции Xiaohua (Huada) представлена в каталоге ЮниРЭК:  

Cortex-M0+
Cortex-M4

На дополнительные вопросы ответят специалисты ЮниРЭК:

ТЕХНИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ, ЗАКАЗ ОБРАЗЦОВ, УСЛОВИЯ ПОСТАВКИ, ПОДБОР АНАЛОГОВ

или свяжитесь: info@unirec.ru; 8 (800) 511-65-20