【導讀】本文探討隔離式雙向DC-DC功率傳輸的實(shí)現方案，即通過(guò)調整專(zhuān)用數字控制器，使其除了具有標準的正向功率傳輸(FPT)功能外，還支持反向功率傳輸(RPT)功能。文中將介紹系統建模、電路設計和仿真，并通過(guò)實(shí)驗對理論概念進(jìn)行了驗證。應用表明，在兩個(gè)能量傳輸方向上，轉換效率始終高于94%。
簡(jiǎn)介
模塊化電池儲能系統(ESS)有助于可再生電力的有效利用，因而是構建綠色能源生態(tài)系統的關(guān)鍵技術(shù)。梯次利用電池ESS應用日趨廣泛。在這個(gè)子市場(chǎng)中，預計高達80%的廢棄電池會(huì )用于ESS，在固定電網(wǎng)服務(wù)中煥發(fā)新生，從而將電池的使用壽命從5年延長(cháng)到15年。預計到2030年，這些系統會(huì )給電網(wǎng)增加1 TWh的容量。1在不久的將來(lái)，這種新興應用必將在能源市場(chǎng)中變得更加重要。
典型實(shí)現方案是將不同電池模組堆疊起來(lái)，通過(guò)功率轉換器將其能量傳輸到集中式交流或直流母線(xiàn)（隨后以某種形式將能量分配給負載）。此類(lèi)系統的挑戰在于，每個(gè)模組具有不同的化學(xué)組成、容量和老化曲線(xiàn)。在傳統的模塊化拓撲中，最弱的模組會(huì )影響整個(gè)電池堆的總可用容量（圖1）。
圖1.模塊化ESS的挑戰
圖2.基于電池的模塊化ESS
為了解決這一限制，在圖2所示的架構中，電池堆中的能量通過(guò)每個(gè)電池模組的單獨DC-DC轉換器傳輸到公共中間直流母線(xiàn)。然后，該能量通過(guò)主功率轉換器支持集中式中壓(MV)交流或直流母線(xiàn)。圖2中的電壓和功率水平是根據市場(chǎng)上ESS的典型數據選擇的：48 V電池模組、400 V (DC)中間直流母線(xiàn)、20 kW以上（高功率）主功率轉換器以及高達1500 V的集中式母線(xiàn)2。
在圖2中，電池堆中每個(gè)模組的接地基準不同，因此需要通過(guò)隔離讓每個(gè)電池模組實(shí)現單獨的DC-DC轉換器。此外，為了支持梯次利用電池ESS等混合系統，每個(gè)轉換器還必須能夠雙向傳輸功率。這樣，就能輕松實(shí)現每個(gè)模組的獨立充放電以及電荷平衡。因此，本文討論的應用核心模塊是DC-DC轉換器，它既是隔離的也是雙向的。
下面將說(shuō)明，如何調整功率轉換專(zhuān)用的數字控制器（通常僅針對單向功率傳輸而構建），使其支持雙向操作，這樣控制器就能作為一種良好的替代方案來(lái)安全可靠地實(shí)現所需類(lèi)型的DC-DC轉換器。
功率轉換應用的專(zhuān)用數字控制器
對于高功率DC-DC轉換器（大于1 kW）中開(kāi)關(guān)器件的控制，數字控制是當前的工業(yè)標準，而且它通?；谖⒖刂破鲉卧?MCU)。3盡管如此，由于各種工業(yè)應用更加重視功能安全(FS)，因此使用專(zhuān)用數字控制器可能更有優(yōu)勢。從系統設計的角度來(lái)看，更簡(jiǎn)單的功能安全認證可以簡(jiǎn)化設計過(guò)程，從而縮短總體開(kāi)發(fā)時(shí)間，更快獲取收益，因此在模塊化實(shí)施中特別有利。
專(zhuān)用數字控制器優(yōu)于MCU的一些原因概述如下4。
● 微控制器依賴(lài)于軟件，包含的狀態(tài)數量較多，被認為不穩定，因此在IEC 61508標準制定之前，安全系統中不允許使用微控制器。MCU的大量“功能安全”工作都在軟件開(kāi)發(fā)階段。
● 除了軟件之外，MCU本身也必須經(jīng)過(guò)認證。
● 雖然專(zhuān)用數字控制器（作為可配置設備）仍然是數據驅動(dòng)的，但其配置過(guò)程使用有限可變語(yǔ)言(LVL)，而不是MCU特有的完全可變語(yǔ)言(FVL)。
● 作為順序數字機，專(zhuān)用數字控制器的功能可以通過(guò)測試全面驗證，而這對于MCU中的軟件來(lái)說(shuō)一般是不可能的。因此，當使用專(zhuān)用控制器時(shí)，設備會(huì )集成核心安全功能。
● 與專(zhuān)用控制器中的集成安全功能相比，MCU實(shí)現方案中增加的安全功能可能需要相當多的額外硬件。當使用故障模式、影響和診斷分析(FMEDA)時(shí)，額外的硬件往往會(huì )增加系統級別的復雜性。
● 使用專(zhuān)用控制器時(shí)，額外的安全性（如果需要）可以通過(guò)外部MCU（通常在系統級別提供）獲得。
ADI公司的ADP1055是一款專(zhuān)為隔離式DC-DC高功率轉換而設計的數字控制器，提供了一系列功能來(lái)提高效率和安全性。這些功能包括：可編程過(guò)流保護(OCP)、過(guò)壓保護(OVP)、欠壓保護(UVLO)和過(guò)溫保護(OTP)。與市場(chǎng)上許多現成的等效器件一樣，該控制器設計用于單向能量傳輸，即FPT。為了實(shí)現雙向操作，使用該控制器的應用必須進(jìn)行調整，以便也能在RPT下工作。下一部分將探討對FPT和RPT模式都很重要的一個(gè)方面，即目標DC-DC轉換器的效率，在調整過(guò)程開(kāi)始之前必須了解這一點(diǎn)。
圖3.功率轉換拓撲仿真：標準操作中的(a)模型和(b)效率
實(shí)現高效能量轉換
在各種隔離式雙向直流功率傳輸技術(shù)中，圖3a中的架構因其實(shí)現簡(jiǎn)單而成為商業(yè)上最常用的架構之一5。
表1.仿真研究參數
這種拓撲既可以看作是FPT中的電壓饋送全橋到中心抽頭同步整流器，也可以看作是RPT中的電流饋送推挽式轉換器到全橋同步整流器。為了說(shuō)明應用的常見(jiàn)挑戰，圖中顯示了一個(gè)典型用例，其初級（直流母線(xiàn)）為400 V (DC)，次級（電池模組）為48 V (DC)，功率水平大于1 kW。使用LTspice?對開(kāi)關(guān)頻率為100 kHz的典型寬帶隙(WBG)功率器件的操作進(jìn)行仿真。仿真使用的參數如表1所示。
圖3b中的結果顯示，當使用常規硬開(kāi)關(guān)(HS) PWM時(shí)，較高功率水平下的效率迅速下降。將RPT與FTP進(jìn)行比較時(shí)，這一點(diǎn)更加突出。為了改進(jìn)操作，我們確定了兩種主要損耗機制，通過(guò)下文說(shuō)明的相應開(kāi)關(guān)技術(shù)可以降低損耗。
● 軟開(kāi)關(guān)：圖4a顯示在這種低漏感設計中，當使用常規PWM時(shí)，初級開(kāi)關(guān)MA和MB在無(wú)源到有源開(kāi)關(guān)轉換過(guò)程中不會(huì )快速關(guān)斷。這種狀況會(huì )在整個(gè)系統中產(chǎn)生較高的開(kāi)關(guān)損耗。在這種情況下，使用相移(PS) PWM（亦稱(chēng)零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)或軟開(kāi)關(guān)）有助于在這些轉換期間將漏源電壓降至零。為此，我們可以提供與負載相關(guān)的適當死區時(shí)間，使得開(kāi)關(guān)的漏源電容可以完全放電。應用相移的結果如圖4b所示。
● 有源箝位：圖5a顯示在次級開(kāi)關(guān)MR1和MR2關(guān)斷期間，在其漏源電壓上觀(guān)察到很大的尖峰和振鈴。這些瞬態(tài)事件會(huì )危及開(kāi)關(guān)的完整性，浪費能量，并導致電磁干擾(EMI)。使用附加開(kāi)關(guān)（例如圖3中的MCLAMP）實(shí)現數字控制有源箝位是減輕該尖峰負面影響的較佳備選方案6。這樣可以進(jìn)一步提高該架構的效率。應用某種形式有源箝位的結果如圖5b所示。
實(shí)施這些策略后，5 kW時(shí)RPT模式下的轉換器效率從不足80%提高到90%以上。這些仿真研究也預測到FPT和RPT具有相似的效率，如圖3b所示。
為了實(shí)現這些開(kāi)關(guān)功能，ADP1055提供6個(gè)可編程PWM輸出以形成開(kāi)關(guān)時(shí)序，并提供2個(gè)可配置為有源箝位吸收器的GPIO。這兩種功能都可以在用戶(hù)友好的GUI中輕松編程實(shí)現。有關(guān)該數字控制器的這些和其他功能的優(yōu)勢，請參閱ADP1055-EVALZ用戶(hù)指南，其中考慮了標準FPT應用。
確定實(shí)現可行效率水平的機制（對于本應用的FPT和RPT模式均適用）后，接下來(lái)我們探討如何調整以適應RPT。
圖4.初級開(kāi)關(guān)無(wú)源到有源轉換：(a) HS PWM，(b) PS PWM
圖5.初級開(kāi)關(guān)無(wú)源到有源轉換：(a) HS PWM，(b) PS PWM
適應反向功率傳輸
為了演示所研究的應用在RPT下的運行情況，我們創(chuàng )建了低壓(LV)實(shí)驗裝置進(jìn)行概念驗證。此裝置基于A(yíng)DP1055-EVALZ用戶(hù)指南中的硬件，最初設計用于48 VDC至12 VDC/240 W FPT的標準情況，使用ADP1055作為主控制器，開(kāi)關(guān)頻率fSW = 125 kHz。為了適應RPT操作，需要適當修改硬件和軟件。圖6（上）顯示了針對此任務(wù)的信號鏈硬件部分，其重點(diǎn)如下：
圖6.信號鏈利用專(zhuān)用數字控制器來(lái)適應RPT
● 使用兩個(gè)匹配的隔離式半橋柵極驅動(dòng)器ADuM3223來(lái)導通和關(guān)斷四個(gè)初級開(kāi)關(guān)。這些驅動(dòng)器的精密時(shí)序特性（隔離器和驅動(dòng)器最大傳播延遲為54 ns）可準確地將控制信號反映到PWM中。
● ADP1055-EVALZ用戶(hù)指南中的隔離電源單元經(jīng)過(guò)重新接線(xiàn)，并補充了一個(gè)輔助精密LDO (ADP1720)，以適應系統中的兩個(gè)接地基準，并為應用中的所有不同IC供電。
● 在測量部分，分流電阻上的電流測量端子發(fā)生交換，以便在控制器的端子CS2+和CS2-上以正確的方向測量整個(gè)轉換器的變壓器次級的輸出電流。
● 最后，隔離式放大器ADuM4195用于安全、準確地測量直流母線(xiàn)電壓。在RPT模式下，直流母線(xiàn)電壓是輸出變量，而在FPT模式下，電池側電壓是受控輸出。
基于A(yíng)DuM4195的測量方案是對控制環(huán)路硬件的一項重要補充。除了安全的5 kV隔離電壓（從高壓初級側到低壓控制側）、多達4.3 V的寬輸入范圍以及精度約為0.5%的基準電壓外，ADuM4195還有高達200 kHz的最小帶寬。與典型的并聯(lián)穩壓器和光耦合器解決方案相比，它支持實(shí)現更快的環(huán)路操作，從而提供更好的瞬態(tài)響應，這對于應用在125 kHz開(kāi)關(guān)頻率下的運行至關(guān)重要。圖7顯示了最終的實(shí)驗裝置，圖6中增加的硬件在基于A(yíng)DuM4195的測量子卡中實(shí)現，該子卡已添加到ADP1055-EVALZ用戶(hù)指南中的原始評估板中。
圖7.RPT概念驗證的實(shí)驗裝置
圖6（下）還描述了為適應RPT在軟件方面的配置。我們深入研究了數字控制系統。結果通過(guò)流程的描述塊進(jìn)行總結說(shuō)明，如下所示：
● 通過(guò)更改PWM設置，使占空比變化與次級電感充電成比例，來(lái)實(shí)現正確的穩態(tài)響應。這是根據該架構在RPT模式下的升壓型操作而得出的。
● 我們采用ADP1055-EVALZ用戶(hù)指南中設計的LCL輸出濾波器，通過(guò)交流小信號等效電路技術(shù)來(lái)確定設備在拉普拉斯域中的轉換函數Gp(s)7。與FPT不同，設備在RPT下的響應是具有右側零點(diǎn)(RHZ)的二階系統的響應，這是升壓轉換器在CCM下的典型響應。請注意，這種類(lèi)型的系統本質(zhì)上不穩定，需要減少誤差放大器的帶寬。
● 利用MATLAB? System Identification Toolbox，根據用作隔離跟隨器的ADuM4195的頻率響應，對反饋測量Gm(s)進(jìn)行建模（圖8）。經(jīng)確認，主導極點(diǎn)在200 kHz左右，可確保在控制系統的目標帶寬（250 kHz可觀(guān)測雙頻的10%左右）之上仍能提供快速響應。
圖8.ADuM4195的頻率響應
● 我們選擇在控制器的標準數字補償器中添加一個(gè)極點(diǎn)，以減少整體控制系統的帶寬，這在這種非最小相位升壓式轉換器設備中是必要的。因此，我們使用公式1中的數字控制器（常數定義參見(jiàn)ADP1055用戶(hù)指南）。
為將分析保持在拉普拉斯域內，我們根據數字控制理論創(chuàng )建了Gc(z)的連續時(shí)間模型Gc(s)9。因此，首先添加一個(gè)計算延遲(× z-1)，而連續時(shí)間中的最終表示通過(guò)如下方式實(shí)現：利用(a) Tustin近似
和(b) Padé 近似模擬離散 PWM (DPWM) 延遲 (Tsa/2=1/4fsw)，使得：
● 最后，為了設計一個(gè)穩定的響應，我們利用MATLAB Control System Designer作為常規連續時(shí)間控制環(huán)路，研究了開(kāi)環(huán)轉換函數Gol(s) = Gp(s) Gm(s) Gc(s)。
由此可以觀(guān)察到，如果使用與FPT相同的控制常數，RPT下的響應將不穩定。因此，正確設計Gc(s)中常數的最終值對于確保運行可靠至關(guān)重要。一旦通過(guò)設計實(shí)現了穩定的開(kāi)環(huán)轉換函數，控制器就會(huì )變換回數字域。圖9（左）顯示所設計的數字濾波器的頻率響應Gc(z)，利用圖9（右）中ADP1055的GUI可以通過(guò)圖形化方式輕松配置該濾波器。
我們還配置了上一節中研究的提高效率功能（具有自適應死區時(shí)間和有源箝位的PS PWM）。實(shí)驗發(fā)現，為了在RPT的有源到無(wú)源轉換中實(shí)現適當的ZVS，有必要修改PWM序列中的死區時(shí)間。具體來(lái)說(shuō)，我們修改了次級開(kāi)關(guān)的導通時(shí)間點(diǎn)，使其發(fā)生在每次有源到無(wú)源轉換間隔之前，以允許電流反向9。
測試表明適應RPT的修改工作是成功的，從12 V次級輸入獲得了48 V初級輸出。對于負載和輸入電壓變化，輸出電壓調節都很出色，相對標準差(RSTDEV)分別為0.1%和0.02%，如圖10a所示。圖10b和圖10c分別顯示了轉換效率和對50%負載變化的階躍響應。兩種情況下，RPT模式下的效率水平都與FPT模式相似，在中等功率范圍內的峰值效率為94%。階躍響應參數（過(guò)沖和建立時(shí)間）在RPT模式下為(1%; 1.5 ms)，而在FPT模式下為(2%; 800 μs)。我們觀(guān)察到，較低的過(guò)沖，稍慢的建立時(shí)間，構成穩定的瞬態(tài)響應。這些結果證明，調整數字控制器以支持雙向功率傳輸的設計過(guò)程是有效和成功的。
結論
為在能源市場(chǎng)中實(shí)現安全可靠的應用，采用功率轉換專(zhuān)用數字控制器是一種不錯的備選方案。這是因為，與微控制器相比，數字控制器有助于簡(jiǎn)化功能安全認證，從而縮短系統級設計時(shí)間，更快地獲取收益。這些器件通常是針對單向功率傳輸構建的，本文探討了如何進(jìn)行修改以支持雙向操作。通過(guò)理論模型、仿真和實(shí)驗研究展示了隔離式雙向DC-DC轉換器在基于電池的ESS中的應用。結果驗證了該應用的可行性，兩個(gè)方向的能量傳輸實(shí)現了相似的性能。
圖9.ADP1055上配置的數字濾波器響應
圖10.RPT模式下得到的(a)輸出電壓調節、(b)效率和(c) 50%負載階躍響應
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關(guān)于A(yíng)DI公司
Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領(lǐng)先的半導體公司，致力于在現實(shí)世界與數字世界之間架起橋梁，以實(shí)現智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng )新。ADI提供結合模擬、數字和軟件技術(shù)的解決方案，推動(dòng)數字化工廠(chǎng)、汽車(chē)和數字醫療等領(lǐng)域的持續發(fā)展，應對氣候變化挑戰，并建立人與世界萬(wàn)物的可靠互聯(lián)。ADI公司2022財年收入超過(guò)120億美元，全球員工2.4萬(wàn)余人。攜手全球12.5萬(wàn)家客戶(hù)，ADI助力創(chuàng )新者不斷超越一切可能。更多信息，請訪(fǎng)問(wèn)www.analog.com/cn。
關(guān)于作者
Juan Carlos Rodríguez博士于2009年獲得厄瓜多爾軍事理工學(xué)院（厄瓜多爾基多）電氣工程學(xué)士學(xué)位，并于2011年和2017年分別獲得RMIT大學(xué)（澳大利亞墨爾本）碩士學(xué)位和博士學(xué)位。從利默里克大學(xué)（愛(ài)爾蘭）獲得博士后職位后，他于2019年加入ADI公司，從事隔離式電源應用和可再生能源工作。他的工作領(lǐng)域包括工業(yè)自動(dòng)化、智能電網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)應用的能量收集以及可持續電力的電源電子轉換。
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