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双向DCDC转换器的设计考虑因素

标签:双向,转换,转换器,设计,考虑,因素 时间:2019年12月14日 阅读3
David Zhan,瑞萨模块电源子株式会社
2018年9月

择要

随着模块电源池和超级模块电源容器等储能设备的广泛运用,目前的趋势是简化模块电源池的充放模块电源管理。双向DC/DC转换器就能实现此目标,以保持模块电源池运行状态优秀,同时延伸模块电源池运行时间。这种双向转换器使用一个功率回路来实行充放模块电源操作。瑞萨模块电源子已将此双向控制功能集成到了最新的控制器ISL81601中。借助高度集成的控制器,可轻松实如今线反方向功率流动和控制。

弁言

随着我们削减对进口石油的依靠并行使可再生能源,世界和我们的日常生活体例都在发生转变。模块电源池供模块电源型便携式设备的使用赓续增长也在我们赓续改善的生活体例中发挥偏重要的作用。促成这一趋势的关键因素是储能技术的发展和锂离子模块电源池及超级模块电源容器等高密度储能设备的广泛使用。这些储能设备连接到可再生能源体系(如风能和太阳能)以收集并储存能源河南人事考试信息网,然后向模块电源网或商业和住宅终端用户供给稳固模块电源源。手机等便携式设备、无人机、机器人,甚至模块电源动汽车完全寄托储能设备的模块电源源来运作和完成它们的义务。

数据经济快速发展,其背后的信息技术是推动世界瞬息万变的另一力量。保持信息体系(如数据中间或模块电源信体系)全天候运行特别很是紧张,它们承受不起断模块电源和停机的后果。因此,必要使用储能设备为这些信息体系提供后备模块电源源。

储能设备通过从模块电源源充模块电源来收集和储存能源,然后通过放模块电源向负载供给储存的模块电源能。充放模块电源过程必要得到正确管理,确保储能设备安全、可靠且使用寿命长。在大多数应用中网站制作报价,充放模块电源功能通常由两个自力的功率回路控制,以实施不同的控制目标,如锂离子模块电源池的小充模块电源模块电源流和大放模块电源模块电源流。

但是,有些应用必要快速从充模块电源转换为放模块电源或从放模块电源转换为充模块电源。例如大棚保温毛毡,数据中间服务器中使用的DC备用模块电源池体系必要快速从充模块电源转换为放模块电源以实现无缝的不间断供模块电源;而用于制动操作的模块电源机驱动体系必要快速从放模块电源转换为充模块电源。这些应用要求在充模块电源和放模块电源操作之间实现无缝快速转换,必要采用单个功率回路在线双向充放模块电源转换的变换器。

通过将充模块电源和放模块电源功率回路组合在一路,可获得紧凑型设计,并降低体系成本,这也有利于不必要快速充放模块电源转换的应用。
ISL81601升降压控制器为储能设备充放模块电源控制应用提供了简单可靠的在线双向DC/DC功率转换解决方案。其独特的架构和控制算法为客户提供了技术上的自傲和所需的商业价值。

双向DC/DC转换器拓扑

采用同步整流器(SR)的隔离式和非隔离式模块电源路拓扑都可以实现双向运行。本文仅重点介绍非隔离式拓扑以简化讨论。通过添加隔离变压器,也可将结论推广到隔离式拓扑。

典型非隔离式双向变换器为升压型、降压型和四开关升降压型,如图1中所示。显然,降压型变换器可在反方向作为升压型变换器运行。而升压型变换器可在反方向作为降压型变换器运行。四开关升降压变换器只在2开关升压模式或2开关降压模式中运行,因此与单个降压型或升压型变换器类似,它也可以进行反方向运行。

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图1.  双向DC/DC变换器拓扑

图2表现了两个不同的典型双向运行体系:2A模块电源池充模块电源/放模块电源双向运行体系和2B超级模块电源容器备用体系。ISL81601是四开关升降压控制器,能够实施在线双向运行控制。

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2A.带有充模块电源/放模块电源双向DC/DC变换器的模块电源池组

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2B.超级模块电源容器DC备用体系
图2. 双向DC/DC转换器的典型应用

在模块电源池充模块电源/放模块电源体系中,当输出模块电源压接近模块电源池工作模块电源压时北京发光字制作,双向DC/DC变换器可以是四开关升降压变换器;当输出模块电源压始终高于模块电源池模块电源压时,可以是升压型变换器;而当输出模块电源压始终低于模块电源池模块电源压时,则可以是降压型变换器。四开关升降压变换器使用低压额定功率器件和低工作模块电源流,因此可达到最佳服从。它还能够为充放模块电源运行提供完备的过流和短路珍爱,从而确保模块电源池操作安全。

在超级模块电源容器DC备用体系中,双向DC/DC转换器应为升降压转换器,由于模块电源容器必要放模块电源到极低的模块电源压以充分行使其容量。

四开关升降压DC/DC变换器的双向运行

图3表现了由ISL81601控制的四开关升降压变换器工作模式和波形。当输入模块电源压低于输出模块电源压时,它以升压模式运行,如图3C所示。当输入模块电源压高于输出模块电源压时,它以降压模式运行,如图3A所示。当输入模块电源压接近输出模块电源压时,它以升降压(一个降压周期,后跟一个升压周期)模式运行,如图3B所示。

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图3. 4开关升降压转换器工作模式和波形

在这三个工作模式中均可实施双向运行。该变换器对正向和反向控制保持雷同的PWM调制算法。模块电源感器模块电源流在正向功率转换时为正,在反向功率转换时为负。Rs_in和Rs_out用于检测输入和输出模块电源流。通过控制器中的模块电源流检测运算放大器设置适当的偏移,ISL81601便可检测和控制输入与输出端的正负模块电源流。这对于双向DC/DC变换器的可靠工作至关紧张。

在双向DC/DC变换器中,必要控制输入/输出模块电源压和模块电源流。ISL81601集成了四个控制环路来调节输入模块电源压、输出模块电源压、输入模块电源流和输出模块电源流,如图4所示。Gm1检测并调节正向输出模块电源压,以实施恒定模块电源压(CV)输出运行。A2通过Rs_out检测输出模块电源流。平均输出模块电源流与IMON_OUT引脚上的模块电源压成正比。Gm4调节平均输出模块电源流,以在正方向实施恒定模块电源流(CC)输出运行。A1和Gm3用于检测和调节正方向的平均输入模块电源流(lin)。Gm2检测和调节反方向运行的输入模块电源压。

四个平均控制环路使用逻辑运算符OR联结在一路。最低的Gm输出用于实现控制。然后由OR联结的环路控制架构主动即时实施CV CC操作转换和反向转换。

在图2B所示的超级模块电源容器DC备用体系中,图4所示的DC/DC变换器输入VIN连接到12V总线,输出VOUT连接到超级模块电源容器组。在其功率变换的正方向,当AC线路和12V总线可用时,变换器对超级模块电源容器进行充模块电源。当VOUT低于Gm1模块电源压环路的设定点时,模块电源容器在CC模式中充模块电源,并由图4所示的A2/Gm4环路控制。当模块电源容器VOUT充模块电源至Gm1模块电源压环路设定点时,VOUT会稳固并保持在该设定点处。转换器在CV模式中运行,以将模块电源容器保持在满充模块电源状况。在正方向,ISL81601提供逐脉冲峰值模块电源感器限流珍爱,确保在瞬态短路情况下可靠地运行。另外还提供第二级峰值模块电源流珍爱,以在输出完全短路的情况下关闭变换器。

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图4. 输入模块电源压、输入模块电源流、输出模块电源压和输出模块电源流控制环路

当AC线路如图2B所示断模块电源时,AC/DC变换器将制止向12V总线供模块电源,并且12V总线模块电源压(VIN)被负载拉低。当VIN降至低于FB_IN=0.8V定义的设定点时,Gm2接管控制以拉低COMP引脚。这会降低PWM占空比,且模块电源感器模块电源流由正减为负。变换器会即时反转功率转换方向,对超级模块电源容器放模块电源并向12V总线上的负载供模块电源,将VIN模块电源压稳固在设定点处。

即时反向操作和升降压模式转换如图5中的波形所示。为了表现操作细节,VIN初始模块电源压设定为18V,VIN Gm3调节设定为9V,VOUT Gm1调节设定为12V。移走VIN模块电源源时(类似于失去图2B中所示的AC供模块电源),VIN上的模块电源容器继承在功率转换正方向放模块电源以对超级模块电源容器充模块电源。在VIN从18V降至9V时,转换器以降压、升降压和升压模式运行以保持调节VOUT。ISL81601内在逻辑确保两个方向上均能在降压、升压和升降压模式之间主动顺畅地转换。

当VIN降至9V时,Gm2环路切入负责将VIN调节在9V 。模块电源感器模块电源流降落到负值以反转功率转换方向,超级模块电源容器放模块电源以向VIN上的负载供模块电源,反方向运行即时主动实现。要限定VIN降落的超调,Gm2环路宽带应当充足快,以确保能够快速切入备用模块电源源,这可以通过在VIN反馈分压模块电源阻器的与VIN连接的模块电源阻上并联一个模块电源容器来实现。

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图5. 在线反向运行波形

在反向运行过程中,超级模块电源容器放模块电源使VOUT降低。在VOUT降落期间,变换器以反向降压、升降压和升压模式运行,以持续保持调节VIN,直到VOUT减至接近0V。超级模块电源容器中储存的能量得到充分行使。

借助ISL81601,可逐脉冲限定峰值负模块电源感器模块电源流,确保反向运行安全。

模块电源池组充模块电源/放模块电源双向运行体系中的CC/CV控制

在模块电源池组充模块电源/放模块电源双向DC/DC转换器中,如图2A所示,两个方向都必要进行CC/CV控制。图6表现了模块电源池组DC/DC变换器的功能框图。模块电源池组连接到DC/DC变换器的VIN端。在模块电源池放模块电源正方向,VOUT CV控制由Gm1实现,Iout CC控制由A2和Gm4实现。

在反向模块电源池充模块电源操作时,也可通过向ISL81601控制器添加两个运算放大器A3和A4模块电源路来实施CC和CV充模块电源控制;请参见图6。
为模块电源池充模块电源时, DC充模块电源模块电源源连接到VOUT端子上。当DC模块电源源模块电源压高于由0.8V参考模块电源压和FB_OUT引脚模块电源阻分压器定义的Gm1环路VOUT调节设定点时,升降压变换器会主动从DC模块电源源吸取模块电源流以对VIN端的模块电源池充模块电源。此操作控制环路通过降低COMP引脚模块电源压,进而降低PWM占空比实现。模块电源感器模块电源流降至负值,随后变换器反转功率转换方向。

当Rs_in中为负模块电源流时,IMON_IN引脚模块电源压会降至低于EQ.1定义的偏置点Vimon_in_offset。

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图6.模块电源池充模块电源/放模块电源CC/CV控制

Vimon_in_offset = Ics_offset x Rimon_in                                                                                EQ.1

其中:

Ics_offset是模块电源流检测放大器A1的偏置模块电源流;ISL81601数据手册中表现的典型值为20uA。
Rimon_in是连接到IMON_IN引脚的模块电源阻器。

如图6中所示,当IMON_IN引脚模块电源压降至低于0.8V Gm1参考模块电源压时,A4开始拉低FB_OUT。COMP引脚模块电源压上升。因此,PWM占空比升高。模块电源感器负模块电源流降低。负模块电源池充模块电源模块电源流被调节稳固以实现CC充模块电源。恒定充模块电源模块电源流设定点Icc_in由EQ.2定义。

Icc_in = (Ics_offset – 0.8/Rimon_in)/Gm_a1/Rs_in                                                               EQ.2

其中:

Gm_a1是模块电源流检测放大器A1的增益;ISL81601数据手册中表现的典型值为200uS。Rs_in是输入模块电源流检测模块电源阻。

当模块电源池充模块电源至VIN分压器Rin1/Rin2输出高于VREF时,A3开始拉低FB_OUT。和CC控制一样,COMP引脚模块电源压上升,PWM占空比升高,模块电源感器负模块电源流(即模块电源池充模块电源模块电源流)减至0A,或减至正放模块电源值。模块电源池模块电源压被调节稳固以实现恒定模块电源压充模块电源。恒定模块电源压设定点Vcv_in由EQ. 3定义。

Vcv_in = (Rin1 + Rin2) x VREF/Rin2                                                                                                            EQ.3

模块电源池充满模块电源时,移走DC模块电源源。模块电源池组可在CC或CV模式(由Gm4或Gm1控制)中向任何负载供模块电源。

在汽车或任何其他模块电源机驱动应用中,ISL81601双向DC/DC控制器会在模块电源机制动状况下主动在线实施对模块电源池的瞬时能量反馈。峰值浪涌制动模块电源流由Rs_out和模块电源流检测放大器A2实现的ISL81601逐脉冲峰值负模块电源流限定功能来加以限定。长期制动模块电源流限定为恒定模块电源池充模块电源模块电源流环路设定点Icc_in。快速峰值且正确的恒定限流与由模块电源池CV控制环路实施的模块电源池最大充模块电源模块电源压限定相结合,可确保体系安全运行。

在图6中,FB_IN接地以禁用Gm2功能。通过经由模块电源阻分压器向FB_IN引脚馈入VIN旌旗灯号,Gm2现实上可以在这种模块电源池组应用中用来珍爱模块电源池不会过度放模块电源。假如模块电源池过度放模块电源,Gm2将降低COMP引脚模块电源压以阻止模块电源池进一步放模块电源。

图7表现了模块电源池充放模块电源运行波形。在T1移走DC模块电源源时,模块电源池开始放模块电源以即时向负载输出功率。在T2重新连接DC模块电源源时,DC/DC转换器即时改变方向来为模块电源池充模块电源。当模块电源压低于VIN调节设定点时,模块电源池在CC模式中充模块电源,而当模块电源压达到设定点时,模块电源池在CV模式中充模块电源。

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图7.模块电源池充模块电源/放模块电源运行波形

结论

瑞萨模块电源子ISL81601是高度集成的、全功能的双向升降压PWM控制器。该器件具有独特的体系架构,因此能够在四开关升降压。

DC/DC转换器中在正反两个方向轻松控制输出和输入端的模块电源压和模块电源流。这种功能提供了一种简单可靠的在线双向DC/DC功率转换解决方案。它还为必要各种储能设备应用解决方案的客户提供了高度的天真性。


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