David Zhan,瑞薩電子株式會社 2018年9月 摘要 隨著電池和超級電容器等儲能設備的廣泛運用,目前的趨勢是簡化電池的充放電管理。雙向DC/DC轉換器就能實現此目標,以保持電池運行狀況良好,同時延長電池運行時間。這種雙向轉換器使用一個功率回路來執行充放電操作。瑞薩電子已將此雙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,可輕松實現在線反方向功率流動和控制。 引言 隨著我們減少對進口石油的依賴并利用可再生能源,世界和我們的日常生活方式都在發生變化。電池供電型便攜式設備的使用不斷增加也在我們不斷改善的生活方式中發揮著重要的作用。促成這一趨勢的關鍵因素是儲能技術的發展和鋰離子電池及超級電容器等高密度儲能設備的廣泛使用。這些儲能設備連接到可再生能源系統(如風能和太陽能)以收集并儲存能源,然后向電網或商業和住宅終端用戶供應穩定電源。手機等便攜式設備、無人機、機器人,甚至電動汽車完全依靠儲能設備的電源來運作和完成它們的任務。 數據經濟快速發展,其背后的信息技術是推動世界瞬息萬變的另一力量。保持信息系統(如數據中心或電信系統)全天候運行非常重要,它們承受不起斷電和停機的后果。因此,需要使用儲能設備為這些信息系統提供后備電源。 儲能設備通過從電源充電來收集和儲存能源,然后通過放電向負載供應儲存的電能。充放電過程需要得到精確管理,確保儲能設備安全、可靠且使用壽命長。在大多數應用中,充放電功能通常由兩個獨立的功率回路控制,以實施不同的控制目標,如鋰離子電池的小充電電流和大放電電流。 但是,有些應用需要快速從充電轉換為放電或從放電轉換為充電。例如,數據中心服務器中使用的DC備用電池系統需要快速從充電轉換為放電以實現無縫的不間斷供電;而用于制動操作的電機驅動系統需要快速從放電轉換為充電。這些應用要求在充電和放電操作之間實現無縫快速轉換,需要采用單個功率回路在線雙向充放電轉換的變換器。 通過將充電和放電功率回路組合在一起,可獲得緊湊型設計,并降低系統成本,這也有利于不需要快速充放電轉換的應用。 ISL81601升降壓控制器為儲能設備充放電控制應用提供了簡單可靠的在線雙向DC/DC功率轉換解決方案。其獨特的架構和控制算法為客戶提供了技術上的自信和所需的商業價值。 雙向DC/DC轉換器拓撲 采用同步整流器(SR)的隔離式和非隔離式電路拓撲都可以實現雙向運行。本文僅重點介紹非隔離式拓撲以簡化討論。通過添加隔離變壓器,也可將結論推廣到隔離式拓撲。 典型非隔離式雙向變換器為升壓型、降壓型和四開關升降壓型,如圖1中所示。顯然,降壓型變換器可在反方向作為升壓型變換器運行。而升壓型變換器可在反方向作為降壓型變換器運行。四開關升降壓變換器只在2開關升壓模式或2開關降壓模式中運行,因此與單個降壓型或升壓型變換器類似,它也可以進行反方向運行。 圖1. 雙向DC/DC變換器拓撲 圖2顯示了兩個不同的典型雙向運行系統:2A電池充電/放電雙向運行系統和2B超級電容器備用系統。ISL81601是四開關升降壓控制器,能夠實施在線雙向運行控制。 2A.帶有充電/放電雙向DC/DC變換器的電池組 2B.超級電容器DC備用系統 圖2. 雙向DC/DC轉換器的典型應用 在電池充電/放電系統中,當輸出電壓接近電池工作電壓時,雙向DC/DC變換器可以是四開關升降壓變換器;當輸出電壓始終高于電池電壓時,可以是升壓型變換器;而當輸出電壓始終低于電池電壓時,則可以是降壓型變換器。四開關升降壓變換器使用低壓額定功率器件和低工作電流,因此可達到最佳效率。它還能夠為充放電運行提供完整的過流和短路保護,從而確保電池操作安全。 在超級電容器DC備用系統中,雙向DC/DC轉換器應為升降壓轉換器,因為電容器需要放電到極低的電壓以充分利用其容量。 四開關升降壓DC/DC變換器的雙向運行 圖3顯示了由ISL81601控制的四開關升降壓變換器工作模式和波形。當輸入電壓低于輸出電壓時,它以升壓模式運行,如圖3C所示。當輸入電壓高于輸出電壓時,它以降壓模式運行,如圖3A所示。當輸入電壓接近輸出電壓時,它以升降壓(一個降壓周期,后跟一個升壓周期)模式運行,如圖3B所示。 圖3. 4開關升降壓轉換器工作模式和波形 在這三個工作模式中均可實施雙向運行。該變換器對正向和反向控制保持相同的PWM調制算法。電感器電流在正向功率轉換時為正,在反向功率轉換時為負。Rs_in和Rs_out用于檢測輸入和輸出電流。通過控制器中的電流檢測運算放大器設置適當的偏移,ISL81601便可檢測和控制輸入與輸出端的正負電流。這對于雙向DC/DC變換器的可靠工作至關重要。 在雙向DC/DC變換器中,需要控制輸入/輸出電壓和電流。ISL81601集成了四個控制環路來調節輸入電壓、輸出電壓、輸入電流和輸出電流,如圖4所示。Gm1檢測并調節正向輸出電壓,以實施恒定電壓(CV)輸出運行。A2通過Rs_out檢測輸出電流。平均輸出電流與IMON_OUT引腳上的電壓成正比。Gm4調節平均輸出電流,以在正方向實施恒定電流(CC)輸出運行。A1和Gm3用于檢測和調節正方向的平均輸入電流(lin)。Gm2檢測和調節反方向運行的輸入電壓。 四個平均控制環路使用邏輯運算符OR聯結在一起。最低的Gm輸出用于實現控制。然后由OR聯結的環路控制架構自動即時實施CV CC操作轉換和反向轉換。 在圖2B所示的超級電容器DC備用系統中,圖4所示的DC/DC變換器輸入VIN連接到12V總線,輸出VOUT連接到超級電容器組。在其功率變換的正方向,當AC線路和12V總線可用時,變換器對超級電容器進行充電。當VOUT低于Gm1電壓環路的設定點時,電容器在CC模式中充電,并由圖4所示的A2/Gm4環路控制。當電容器VOUT充電至Gm1電壓環路設定點時,VOUT會穩定并保持在該設定點處。轉換器在CV模式中運行,以將電容器保持在滿充電狀態。在正方向,ISL81601提供逐脈沖峰值電感器限流保護,確保在瞬態短路情況下可靠地運行。另外還提供第二級峰值電流保護,以在輸出完全短路的情況下關閉變換器。 圖4. 輸入電壓、輸入電流、輸出電壓和輸出電流控制環路 當AC線路如圖2B所示斷電時,AC/DC變換器將停止向12V總線供電,并且12V總線電壓(VIN)被負載拉低。當VIN降至低于FB_IN=0.8V定義的設定點時,Gm2接管控制以拉低COMP引腳。這會降低PWM占空比,且電感器電流由正減為負。變換器會即時反轉功率轉換方向,對超級電容器放電并向12V總線上的負載供電,將VIN電壓穩定在設定點處。 即時反向操作和升降壓模式轉換如圖5中的波形所示。為了顯示操作細節,VIN初始電壓設定為18V,VIN Gm3調節設定為9V,VOUT Gm1調節設定為12V。移走VIN電源時(類似于失去圖2B中所示的AC供電),VIN上的電容器繼續在功率轉換正方向放電以對超級電容器充電。在VIN從18V降至9V時,轉換器以降壓、升降壓和升壓模式運行以保持調節VOUT。ISL81601內在邏輯確保兩個方向上均能在降壓、升壓和升降壓模式之間自動順暢地轉換。 當VIN降至9V時,Gm2環路切入負責將VIN調節在9V 。電感器電流下降到負值以反轉功率轉換方向,超級電容器放電以向VIN上的負載供電,反方向運行即時自動實現。要限制VIN下降的超調,Gm2環路寬帶應當足夠快,以確保能夠快速切入備用電源,這可以通過在VIN反饋分壓電阻器的與VIN連接的電阻上并聯一個電容器來實現。 圖5. 在線反向運行波形 在反向運行過程中,超級電容器放電使VOUT降低。在VOUT下降期間,變換器以反向降壓、升降壓和升壓模式運行,以持續保持調節VIN,直到VOUT減至接近0V。超級電容器中儲存的能量得到充分利用。 借助ISL81601,可逐脈沖限制峰值負電感器電流,確保反向運行安全。 電池組充電/放電雙向運行系統中的CC/CV控制 在電池組充電/放電雙向DC/DC轉換器中,如圖2A所示,兩個方向都需要進行CC/CV控制。圖6顯示了電池組DC/DC變換器的功能框圖。電池組連接到DC/DC變換器的VIN端。在電池放電正方向,VOUT CV控制由Gm1實現,Iout CC控制由A2和Gm4實現。 在反向電池充電操作時,也可通過向ISL81601控制器添加兩個運算放大器A3和A4電路來實施CC和CV充電控制;請參見圖6。 為電池充電時, DC充電電源連接到VOUT端子上。當DC電源電壓高于由0.8V參考電壓和FB_OUT引腳電阻分壓器定義的Gm1環路VOUT調節設定點時,升降壓變換器會自動從DC電源汲取電流以對VIN端的電池充電。此操作控制環路通過降低COMP引腳電壓,進而降低PWM占空比實現。電感器電流降至負值,隨后變換器反轉功率轉換方向。 當Rs_in中為負電流時,IMON_IN引腳電壓會降至低于EQ.1定義的偏置點Vimon_in_offset。 圖6.電池充電/放電CC/CV控制 Vimon_in_offset = Ics_offset x Rimon_in EQ.1 其中: Ics_offset是電流檢測放大器A1的偏置電流;ISL81601數據手冊中顯示的典型值為20uA。 Rimon_in是連接到IMON_IN引腳的電阻器。 如圖6中所示,當IMON_IN引腳電壓降至低于0.8V Gm1參考電壓時,A4開始拉低FB_OUT。COMP引腳電壓上升。因此,PWM占空比升高。電感器負電流降低。負電池充電電流被調節穩定以實現CC充電。恒定充電電流設定點Icc_in由EQ.2定義。 Icc_in = (Ics_offset – 0.8/Rimon_in)/Gm_a1/Rs_in EQ.2 其中: Gm_a1是電流檢測放大器A1的增益;ISL81601數據手冊中顯示的典型值為200uS。Rs_in是輸入電流檢測電阻。 當電池充電至VIN分壓器Rin1/Rin2輸出高于VREF時,A3開始拉低FB_OUT。和CC控制一樣,COMP引腳電壓上升,PWM占空比升高,電感器負電流(即電池充電電流)減至0A,或減至正放電值。電池電壓被調節穩定以實現恒定電壓充電。恒定電壓設定點Vcv_in由EQ. 3定義。 Vcv_in = (Rin1 + Rin2) x VREF/Rin2 EQ.3 電池充滿電時,移走DC電源。電池組可在CC或CV模式(由Gm4或Gm1控制)中向任何負載供電。 在汽車或任何其他電機驅動應用中,ISL81601雙向DC/DC控制器會在電機制動狀態下自動在線實施對電池的瞬時能量反饋。峰值浪涌制動電流由Rs_out和電流檢測放大器A2實現的ISL81601逐脈沖峰值負電流限制功能來加以限制。長期制動電流限制為恒定電池充電電流環路設定點Icc_in。快速峰值且精確的恒定限流與由電池CV控制環路實施的電池最大充電電壓限制相結合,可確保系統安全運行。 在圖6中,FB_IN接地以禁用Gm2功能。通過經由電阻分壓器向FB_IN引腳饋入VIN信號,Gm2實際上可以在這種電池組應用中用來保護電池不會過度放電。如果電池過度放電,Gm2將降低COMP引腳電壓以阻止電池進一步放電。 圖7顯示了電池充放電運行波形。在T1移走DC電源時,電池開始放電以即時向負載輸出功率。在T2重新連接DC電源時,DC/DC轉換器即時改變方向來為電池充電。當電壓低于VIN調節設定點時,電池在CC模式中充電,而當電壓達到設定點時,電池在CV模式中充電。 圖7.電池充電/放電運行波形 結論 瑞薩電子ISL81601是高度集成的、全功能的雙向升降壓PWM控制器。該器件具有獨特的系統架構,因此能夠在四開關升降壓。 DC/DC轉換器中在正反兩個方向輕松控制輸出和輸入端的電壓和電流。這種功能提供了一種簡單可靠的在線雙向DC/DC功率轉換解決方案。它還為需要各種儲能設備應用解決方案的客戶提供了高度的靈活性。 |