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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(shè)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(zhuǎn)換器就能實現(xiàn)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(zhuǎn)換器使用一個功率回路來執(zhí)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(xiàn)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(fā)生變化。電池供電型便攜式設(shè)備的使用不斷增加也在我們不斷改善的生活方式中發(fā)揮著重要的作用。促成這一趨勢的關(guān)鍵因素是儲能技術(shù)的發(fā)展和鋰離子電池及超級電容器等高密度儲能設(shè)備的廣泛使用。這些儲能設(shè)備連接到可再生能源系統(tǒng)（如風能和太陽能）以收集并儲存能源，然后向電網(wǎng)或商業(yè)和住宅終端用戶供應(yīng)穩(wěn)定電源。手機等便攜式設(shè)備、無人機、機器人，甚至電動汽車完全依靠儲能設(shè)備的電源來運作和完成它們的任務(wù)。 數(shù)據(jù)經(jīng)濟快速發(fā)展，其背后的信息技術(shù)是推動世界瞬息萬變的另一力量。保持信息系統(tǒng)（如數(shù)據(jù)中心或電信系統(tǒng)）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(shè)備為這些信息系統(tǒng)提供后備電源。 儲能設(shè)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(yīng)儲存的電能。充放電過程需要得到精確管理，確保儲能設(shè)備安全、可靠且使用壽命長。在大多數(shù)應(yīng)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(yīng)用需要快速從充電轉(zhuǎn)換為放電或從放電轉(zhuǎn)換為充電。例如，數(shù)據(jù)中心服務(wù)器中使用的DC備用電池系統(tǒng)需要快速從充電轉(zhuǎn)換為放電以實現(xiàn)無縫的不間斷供電；而用于制動操作的電機驅(qū)動系統(tǒng)需要快速從放電轉(zhuǎn)換為充電。這些應(yīng)用要求在充電和放電操作之間實現(xiàn)無縫快速轉(zhuǎn)換，需要采用單個功率回路在線雙向充放電轉(zhuǎn)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(shè)計，并降低系統(tǒng)成本，這也有利于不需要快速充放電轉(zhuǎn)換的應(yīng)用。 ISL81601升降壓控制器為儲能設(shè)備充放電控制應(yīng)用提供了簡單可靠的在線雙向DC/DC功率轉(zhuǎn)換解決方案。其獨特的架構(gòu)和控制算法為客戶提供了技術(shù)上的自信和所需的商業(yè)價值。 雙向DC/DC轉(zhuǎn)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(xiàn)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(jié)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(guān)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(guān)升降壓變換器只在2開關(guān)升壓模式或2開關(guān)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(tǒng)：2A電池充電/放電雙向運行系統(tǒng)和2B超級電容器備用系統(tǒng)。ISL81601是四開關(guān)升降壓控制器，能夠?qū)嵤┰诰�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(tǒng) 圖2. 雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器的典型應(yīng)用 在電池充電/放電系統(tǒng)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(guān)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(guān)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(tǒng)中，雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器應(yīng)為升降壓轉(zhuǎn)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(guān)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(guān)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(guān)升降壓轉(zhuǎn)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(diào)制算法。電感器電流在正向功率轉(zhuǎn)換時為正，在反向功率轉(zhuǎn)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(shè)置適當?shù)钠疲琁SL81601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(guān)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(huán)路來調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)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(diào)節(jié)平均輸出電流，以在正方向?qū)嵤┖愣娏?CC)輸出運行。A1和Gm3用于檢測和調(diào)節(jié)正方向的平均輸入電流(lin)。Gm2檢測和調(diào)節(jié)反方向運行的輸入電壓。 四個平均控制環(huán)路使用邏輯運算符OR聯(lián)結(jié)在一起。最低的Gm輸出用于實現(xiàn)控制。然后由OR聯(lián)結(jié)的環(huán)路控制架構(gòu)自動即時實施CV CC操作轉(zhuǎn)換和反向轉(zhuǎn)換。 在圖2B所示的超級電容器DC備用系統(tǒng)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(huán)路的設(shè)定點時，電容器在CC模式中充電，并由圖4所示的A2/Gm4環(huán)路控制。當電容器VOUT充電至Gm1電壓環(huán)路設(shè)定點時，VOUT會穩(wěn)定并保持在該設(shè)定點處。轉(zhuǎn)換器在CV模式中運行，以將電容器保持在滿充電狀態(tài)。在正方向，ISL81601提供逐脈沖峰值電感器限流保護，確保在瞬態(tài)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(guān)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(huán)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(shè)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(zhuǎn)功率轉(zhuǎn)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(wěn)定在設(shè)定點處。 即時反向操作和升降壓模式轉(zhuǎn)換如圖5中的波形所示。為了顯示操作細節(jié)，VIN初始電壓設(shè)定為18V，VIN Gm3調(diào)節(jié)設(shè)定為9V，VOUT Gm1調(diào)節(jié)設(shè)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(xù)在功率轉(zhuǎn)換正方向放電以對超級電容器充電。在VIN從18V降至9V時，轉(zhuǎn)換器以降壓、升降壓和升壓模式運行以保持調(diào)節(jié)VOUT。ISL81601內(nèi)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(zhuǎn)換。 當VIN降至9V時，Gm2環(huán)路切入負責將VIN調(diào)節(jié)在9V 。電感器電流下降到負值以反轉(zhuǎn)功率轉(zhuǎn)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(xiàn)。要限制VIN下降的超調(diào)，Gm2環(huán)路寬帶應(yīng)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(lián)一個電容器來實現(xiàn)。
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(xù)保持調(diào)節(jié)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(tǒng)中的CC/CV控制 在電池組充電/放電雙向DC/DC轉(zhuǎn)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(xiàn)，Iout CC控制由A2和Gm4實現(xiàn)。 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(huán)路VOUT調(diào)節(jié)設(shè)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(huán)路通過降低COMP引腳電壓，進而降低PWM占空比實現(xiàn)。電感器電流降至負值，隨后變換器反轉(zhuǎn)功率轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)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(diào)節(jié)穩(wěn)定以實現(xiàn)CC充電。恒定充電電流設(shè)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(shù)據(jù)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(diào)節(jié)穩(wěn)定以實現(xiàn)恒定電壓充電。恒定電壓設(shè)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(qū)動應(yīng)用中，ISL81601雙向DC/DC控制器會在電機制動狀態(tài)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(xiàn)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(huán)路設(shè)定點Icc_in。快速峰值且精確的恒定限流與由電池CV控制環(huán)路實施的電池最大充電電壓限制相結(jié)合，可確保系統(tǒng)安全運行。 在圖6中，F(xiàn)B_IN接地以禁用Gm2功能。通過經(jīng)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(yīng)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(zhuǎn)換器即時改變方向來為電池充電。當電壓低于VIN調(diào)節(jié)設(shè)定點時，電池在CC模式中充電，而當電壓達到設(shè)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(jié)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(tǒng)架構(gòu)，因此能夠在四開關(guān)升降壓。 DC/DC轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換解決方案。它還為需要各種儲能設(shè)備應(yīng)用解決方案的客戶提供了高度的靈活性。 |
