三相维也纳PFC拓扑设计方案 - 1.1 三相维也纳PFC参考方案简介

大家好 我是TI Century FAEIgor An 今天我将为大家介绍 由TI C2000 Solution开发的三相维也纳PFC的参考设计 希望通过这个参考设计能让大家了解到 在三相维也纳PFC的系统中有哪些TI的芯片可供大家参考和选择 同时也非常希望我们在实现
三相维也纳PFC的控制算法上 能对您有所启发和帮助 我将分为下面四个方面给大家进行介绍 第一个方面就三相维也纳PFC应用比较广泛的 电动汽车充电中的应用领域结合三相维也纳PFC 介绍充电中领域主要的解决方案 以及三相维也纳PFC
在充电中领域的一些地位和市场情况 第二个方面介绍三相维也纳PFC的硬件配置
 第三个方面是我们实现的三相维也纳PFC的主控环路的设计 第四个方面是我们在实现这个三相维也纳PFC控制环路 这个软件的结构和一些测试结果 电动汽车充电系统中我们主要分为下面三种 基本的使用功耗第一种是我们认为是慢充 或者是功率比较小的充电 那它基本上就是由外面引入一个单相的交流电源 那由车载的AC-DCDC-DC车载充电设备 车上电池机用充电 那第二个等级我们认为其实
和第一个等级的基本配置是一样的
 只是它的功率稍微增大了 那我们这里便是它基本的接口类型 那第三种就是我们一般
会在外面经常看到的一些 这种完全是在车外面的电动充电装 那这我们称之为直流充电装因为它最终的输出就是
 一个直流的电源
供给我们的电池充电 那在这种应用里面 那非常多的解决方案
都采用了三相维也纳PFC 那对每一种方案中我们可选的基本拓普 我们做了以下基本罗列 那对于车载来说 因为它是单相 前提我会有一个单相的PFC 这种单相PFC我可能直接就是一个单相boost 或者是向我们列出的这个它是一个交错并联的这个PFC 那对于各种方案
我们都有相应的TI一些参考设计 那后期DC-DC我们可使用并联的交错的LLC 或者是我们的PSFB 那对于车外面的三相充电系统大的相对大功率一点 那我们可能前级的PFC我们用三相的PFC 那传统三相PFC是那种六管式的PFC 那我们这里介绍的是在充电装里面非常广泛应用的
 这个三相维也纳PFC以及后级的和上面 基本类似的LLC或者PSFB 那下面这些标号是我们在TI设计的一些参考设计项目标号 大家可以在TI的官网上搜索这些标号 来找到它们相应对应的这些资料 那这种由于它的功率等级比较高所以它的充电速度很快 对于这个快速充电系统中尤其是带三相PFC的系统 那如果我前端不去进行PFC控制它在充电的时候 比如说我这个电压是标准正旋那我如果没有PFC功能 它的这个整流直接整流出来
供给后面充电 它也可以实现充电功能 但是由于我整个前端输入电流
是一个这个非正旋的 它有非常大的斜波干扰可能会影响我们的电 同时它的一个PF质也是非常差的 在一些这个要求比较严格的地区或者国家 它可能是不能够使用的 那如果我们加了PFC功能那我们知道PFC的一个主要功能 就是把输入电流调理成
和输入电压同相位 同时也是正旋的这种电流波形能减少它的斜波 改善PF 那我们得到的就是很漂亮的一个正旋波形 那我们有非常多的这个不同的拓普可以实现这个PFC功能 那在我们这个设计中我们选用了维也纳PFC 那它有几个非常明显的主要优势 如果大家之前对维也纳有一些了解的话 可能对它的基本优点会比较了解那最典型的就是 由于我把这个两管串联而且是接到中线和下面 ABC输入电​​压之间所以每一个管子在工作的时候 它的管压降并不像传统的六管它是整个母线 那我们在维也纳的时候每个管子工作的时候 它两端承受的最高电压
实际上是半个母线 也就是母线的一半那所以我整个管子 
它的耐压等级 我就可以选低耐压等级的同时由于它的这个管子上面 降落的电压压降相对较低那它整个的开发损耗 也会比较低 那同时它 由于它实际上
是一个三电频的工作系统 它有一个零电压状态还有一个正和负 所以它的这个EMC EMI
会比传统的那种PFC会好 等等等等一系列它更容易实现这种较高效率的拓普 所以 基于这种特点它在这个电动汽车充电装的 这个应用上被广泛使用当然它有一个缺点或者叫不足吧 它的电流只能实现这个单相流动它是不能实现双相流动 像我们六管这种PFC它可以实现电流双相流动 所以在一些需要能量回馈的这种应用中 可能三相维也纳PFC并不是很适用 那这个就是我们今天
介绍的这个中心的设计 它的这个设计号就是TIDM-1000 那我们后面大家可以在网上
搜到这个TIDesigns 相关的设计资料从硬件到软件都会公开给大家 那这面列出了我们主要的这个技术指标 好 那我们支持相当于就是110 三相110 相当于就是208或者是380的这种AC输入 母线电压600到700伏 1.2千瓦或者2.4千瓦 那我们可以达到就是
peak的效率
可以大到98%以上 OK 然后呢我们的这个TI的
所有电源数字解决方案 其实属于TI的这个数字电源解决方案 我们有几个平台
向跟大家发布我们的这个 公开的一些资源我们一些参考设计的源码
 加一些原理图PCB这些我们都是完全公开给大家的 那大家有一个软件叫PowerSUITE那它是集成在我们C2000的 一个叫ControlSUITE的一个软件中 那同时这里面我们特别
highlight一个就是我们用于 实现这个解决方案的是我们
28377D这颗C2000的芯片 那这个是比较新的一个芯片是在2016年和2015后半年 这个阶段向市场推出的 那这颗芯片较之前C2000芯片有非常大的提升 那就是我们加了一个TMU单元它是一个硬件的三角函数加速器 有了这个三角函数加速器我们在计算Sin Cos甚至除法等等 这些三角函数相关的一些运算的时候速度得到了大大的提升 那比如说计算一个Sin没有TMU的这个C2000的芯片 那之前我们计算大概需要
这个30个质量周期左右 去运算完这个Sin结果那有了TMU 那这个质量周期 
缩短了四到五个CPU质量周期 所以在运算效率上是
非常明显非常大幅的提升 同时我们引入了Delta Sigma这个解调 这个也是集成在我们新型的C2000系列芯片中 Delta Sigma解调的这个功能 它可以配合外部外挂的这个
Delta Sigma调制的芯片 去实现整个信号
用Delta Sigma进行采样 同时我们在新型C2000这个比较器內部集成比较器做了一定的改进 那实现这个窗口比较的功能那之前我们用过之前的
 这个C2000呢功能是会知道我们之前C2000内部集成比较器
 只是一个单端比较器只能有一个点 比如说我做电流保护它只能保护半边的 那现在我们有一个窗口那就是正负的这个 我们都可以得到保护 还有就是SFRA那这个是一个非常强大的
 
C2000数字电源上的一个工具 那这个就是用软件的方式实现环状分析仪的功能 那可以让您在线去测出整个闭环的波特图 它的平移响应 复制响应还有就是复制响应等等 这些信息我都可以通过SFRA这个工具给您在线的分析出来 同时我们有一个compositor designer就是帮助您 设计您的控制环路所以您有了SFRA 加上compositor designer这两个就形成了一个闭环 那您就可以用SFRA测一下波特图哪里不满意的 那您通过compositor designer去调您的PI或是2P2J等等 这些控制器的控制参数那这种基本就实现了 我们近似于的这个Control 2 boxes分析 和它的这个帮助您设计矫正器的功能 所以非常智能同时我们通过PowerSUITE 我们把一些典型拓普集成的PowerSUITE 实现了这个图形化设计 那维也纳PFC也是在其中之一所以如果您有一个新的板子 您不想去手写代码去调这个维也纳PFC的这个控制环路 您也可以通过PowerSUITE通过图形化界面的方式 去配置您的[听不清]端口去配置您的ADC 然后去配置您各种采样回路它的一个比例增益 然后去运行你的系统开环闭环然后还可以通过SFRA 去compositor designer
去设定您的矫正器 所以整个这个TI所提供的这个工具非常便捷的只是让您 去快速的开发您的系统 那对硬件方面呢我们在这里列出了就是我们 整个应用中实现中所用到的TI一些外围芯片 像我们的一些采样隔离一些电源 那我们都在这个参考设计中有所体现也可以参考我们的这个选择 来去决定是不是和我们用同样的芯片 或是去比较一下您的选择和我们用的芯片 在性能和各方面性价比上的一些差距 好 第一部分的介绍就给大家介绍到这里 欢迎大家继续关注下一部分的内容谢谢大家