1.3 2kW 双向变换器方案 –TIDA-00951

大家好 我是TI Century FAE Igor An 主要负责数字电源与电机算法的相关开发 下面由我来给大家介绍我们的一个TI Design TIDA -00951 这个TI Design我们实现了2000瓦的双向DCDC 在这个DCDC实现中我们引入了ZVS的软开关技术 实现了相对较高的一个工作效率 这是我们TI Design的一个One page description 向大家介绍了TI Design主要的一些性能指标 我们使用的主要的拓扑结构 还有一些相关的技术参数 我们看到这个双向DCDC的输入输出 高压测300到400伏的电压 低压测30到60伏 整个功率是在我们的放电模式下 就是我们的Boost模式下2000瓦的输出能力 在Buck模式下1000瓦的充电功率能力 以及我们的一些保护功能比如说短路、过电流过压 等等一些保护 以及我们配备的接口 485CAN等等 还有整个TI Design板子的尺寸 那我们认为当然现在双向DCDC在很多领域 都有应用 像这种新能源领域应用非常多 无论是太阳能 以及智能电网 或者是传统的UPS 甚至一些新能源汽车这些上面都有非常广泛的应用 所以我们也是针对这个热点去开发了一个数字型的双向DCDC 我们还有一些其他的方案像我们之前和后面大家 我们同事要给大家介绍的用模拟型的方案去实现的双向DCDC 我们这里用的是一颗TI C2000系列的28033 去实现的双向DCDC的算法 那它的几个主要的设计亮点吧 我们就是说它相对一个比较高的效率那这个就是 仁者见仁了 我们相对来说比较高吧 还有我们这个充电的快充能力 可以大于20安的充电电流 同时我们引入了有缘前卫的技术使得低压侧的 开关的VDS的尖峰会被抑制住 所以我们可以利用电压等级稍微一点的 FET 我们用的是100伏的FET 来实现了最高输出电压60伏的低压侧这部分电路拓扑 功率部分 那对于双向DCDC呢我们发现工业界的一些典型应用场景 那我们在这里给大家罗列一下 基本上在现在很热门的battery pack 这种电池墙或者是这种新能源的 风能 智能电网 智能电网的这些应用上我们都有场合用到这个双向DCDC 那在传统的应用中或者是说我们在传统的UPS应用中 那我们知道UPS需要一个试电和电池供电的一个切换 那传统UPS中呢 对于电池这方面呢 我们可能需要两个功率的通路 一个通路是专门从母线上取电给电池充电 那我们需要一个硬件拓扑有可能是一个纯的Buck电路 去给电池进行充电 还有一个环路就是在电池作为备用电源开始放电的时候 我们需要一个拓扑 硬件功率的通路 那电池放电去供母线 然后后端有输出 可能需要两种功率拓扑如果我们现在用双向DCDC的话 那我就可以用一个硬件的功率拓扑 去实现充电功能和放电功能都在这一个功率拓扑上实现 通过不同的算法切换来对这两种模式进行切换 这样就在UPS这种类型的应用上在硬件成本上 做到了节省 同样这种应用有可能会在 我们的新能源 智能电网在各个源进行切换的时候 可能会使用得到 同时 在一些新能源汽车里面我们有动力电池 去输出电能 或者是我制动的时候 我把机械能再回馈给动力电池的时候 那可能也会用到双向DCDC的功能 那我们后面有两张表格 这是其中一张 就是我们在做backup power supply的时候 我们放电的这种模式 那就是我们这个升压boost的工作模式情况下 它的一些主要指标 输入电压范围 48 36 60 输出的电压范围我们是用一个正负母线 用了正负200伏 两个电容 母线电压 最大的输出能力是2000瓦 我们刚才大概看了一下我们用的这个拓扑 实际上两边都是两个全桥 加上低压侧的有缘前卫 这种拓扑可以用非常多的控制方式 和开关的不同组合 来实现升降压的功能有些包括软开关 这种开关模式有非常多种 每种都有各自的优缺点在这里的Boost模式 我们把拓扑控制成一个push-pull 就是推挽的这种电路模式 同时 在这种推挽模式下 实现了软开关 这个效率是大于92% 这个值呢 我们最高的效率点会比这个高大概在95%左右 然后一些保护 过电流 以及放电的时候 电池欠压等等 工作环境温度 等等 那我们的冷却方式呢就是加散热器和强制风冷 加风扇 待机功率呢 我们这边的测试条件有限 没有得到一个非常准确的值所以这个大家可以去评估一下 因为我们的TI Design后面都会把板子的原理图 PCB 等等这些资料放到我们的TI官网上进行公开 目前我们这个TI Design还没有完全公开在网上 计划是在未来的一到两个月中我们会把它放到我们的网上 然后在电池充电也就是我们的buck模式下 它的主要指标输入是正负200伏的母线 输出可选的 48 36 60 充电能力是1000瓦 充电的时候我们把拓扑控制为同步的半桥的形式 然后充电的状态其实我们就是恒流 恒压 还有均充 三种充电的状态 保护 过压过流 然后电池过温等等 OK 这个呢我们可能会跟大家相对详细介绍一下 就是我们的这个 从算法上的实现方式结合我们的功率图 拓扑图给大家介绍一下 这个图里面呢 我们看到一些 首先我们看采样就是我们在整个控制系统中 所需要的采样点第一个就是高压侧的电压 因为我们的MCU是放在低压侧的 所以高压侧的采样及驱动我们都需要把它进行一下隔离 我们用了TI的一个隔离芯片 MC1301 它是一个隔离运放对输入的高压电压进行采样 还有低压侧的电压进行采样 这个我们就直接电阻分压就行了因为这个都是供地的 这里 我们看到两个电阻采样 这两个都是非隔离型的 一个在上端 一个在下端 下端这个就普通运放 OPT376就是一个普通的轨对轨运放 那这个IAN240 它不是一个隔离的采样方式但它是用叉分的方式 内部集成的一个运放 它是专门采上端的这种或是线上的这种 用叉分方式进行的 但应用场合一般都是在80伏以下的 太高压的这种 因为它毕竟是不隔离的 它里面的耐压可能是满足不了这种高压的应用环境 所以在80伏以下的我们有一系列IAN的芯片 专门去采上端采样的电流 这里我们放两个 其实就是向大家展示两种不同的采样方案 我们都有对应的芯片可以供您使用实际在我们的项目中 我们其实只用了下端的采样并没有上面这个 然后我们看整个驱动 低压侧的驱动我们用的这个TI驱动芯片[听不清] 27211 那高压侧呢我们这是一个隔离的半桥驱动芯片 配一个隔离型的DCDC 隔离电源 给我们这个上管供电 这边的电流是一个可选项 在我们的系统中是没有用的 我们认为可以放一个CT进行采样 这个采样多数都是用来做保护用的 实际算法中基本不会用到 不会用电流参与算法运算 我们都是用低压侧的电流做整个的电流控制 对于通讯接口 我们有一些需要隔离的 我们有很多的隔离芯片可供选择 不同的速率 不同的耐压等级等等 从电源侧我们有一系列的不同电压等级 不同路输出的电源方案 可供大家选择 主芯片 一般在数字电源都会采用C2000系列芯片 这个TI Design用的还是我们这个 我们叫老一代的C2000 28033这颗片子去实现的 我们新一代的C2000 就是在近一两年 公布的28377 或者37系 37X系列或者2807X系列等等 这些新款芯片 它的计算性能是比老款有非常大的提升 甚至是几倍的提升 从CPU运算能力再加外设的PWM这些的更新 以及我们未来马上在未来的一年就要发布的 这个28004系列的这颗C2000芯片 那它的这个性价比也是非常具有竞争力的 所以各位如果要开发新的数字电源系统 您可以去评估一下我们的28004系列 好 基本的电路硬件设置基本就是刚才我们提到的这些 那我们从算法上其实我们实现的这个 软开关 我个人认为还是相对来说比较简单的一种方式 那无论是低压侧还是高压侧我们都是把对管的驱动 用同一个驱动信号进行驱动的 那就是 两个对管同时开 同时关高压侧 低压侧都是这种 那只不过我们有一个有缘前卫的通路 我们会用这个通路去控制 去使这些管子的开通 关断 都是在一个零电压或者是零电流的状态 去实现的软开关 来提升它的效率那我们的这个开关频率 这些主管的开关频率 我们现在做的是100K那我们知道对应的 我主管是100K的话那有缘前卫通路的开关频率就是200K 当然我们知道类似于DCDC像LC啊 移相全桥 等等这些DCDC的应用中 我们的CPU 计算频率往往会比我的PWM频率要低一些的 有时甚至会低很多因为我们实际的电流环也好 电压环也好它的带宽并不需要到几百K这么夸张 或者是几十K都不会到 基本一两K我们的大部分应用中已经是足够快了 所以我们的CPU的环路控制环路的计算频率 我们是用的25K去计算整个的控制环路的算法 电流环 电压环 等等 那鉴于我们介绍的时间的限制我们对具体的开关的细节 我们这里不做阐述那后面我们的TI Design上线的时候 会有非常详细的原理性的说明 您可以非常清晰地了解到我们是用哪种开关的模式 以及这个有缘前卫的管子如何和主管配合 实现 软开关 我们会有一个非常详细的描述 您可以从网上直接下载下来我们做TI Design的目的呢 实际上是方便大家了解TI的各种芯片型号 以及在具体应用中如何去选型 同时我们也希望我们在算法端的一些实现方式吧 对您有所启发或者有所帮助 当然毕竟我们是半导体公司我们在数字电源方面的 对终端需求的理解不见得是那么到位的 所以我们是实现了一个基本功能仅供各位参考 好 我们这里简单列出了一些 TI Design我们认为主要的一些优点 第一个就是说我们由于有有缘前卫电路 可以把我们的监控电压控制在一个比较好的范围内 那我们用了一个相对低压的管子100伏的MOSFET 然后由于选了低压的管子所以我们的RDSon啊这些 相对比较小 它的损耗也比较小 同时我们有软开关整个的损耗都会变得比较小 然后Buck Mode呢 我们知道在低压侧 实际上我可以 不做任何控制 直接用它这个TI二极管实行一个自然整流就可以了 但TI二极管的反向回复特性啊这些都不是特别理想 所以在buck模式的时候我们对低压侧还做了一个同步的 控制 用同步的MOS管的通路 去引导电流的流向 所以用这种方式呢 进一步改善了它整个的效率特性 这个是我们做的测试 就是在buck mode或者是boost mode情况下 我们做的一些效率测试 我们看到最高的效率点这个是Buck Mode Charging 电池充电的模式下我们的效率点 最高可以到94 不同的输出电压 稍微有一点不同 对于放电模式 随着输出功率的变化会有一些效率变化 最高点应该在95 在800瓦左右的 这个是我们实现软开关的两个波形的截图了 第一个我们可以从这看到黄颜色呢是我们的这个 有缘前卫电路 它的电流 电流的情况 然后蓝色的这个是我们主管的VDS 我们假设这个主管就是这个波形抓的时候 这个要开通的 要开通的这个主管 它的VDS 然后这个红色呢 就是主管的这个门级的驱动信号 这一点是它的开通点那我们看到 开通的时候 它的VDS已经降低到零了它能够降到零 是我们的有缘前卫电路 它的存在 让我们在这个主管开通前通过TI二极管 已经把这个接电容上的电压放掉了 所以实现了这个VDS 大家知道 这个双向DCDC的开关的 形式有非常多种 而且具体分析下来 有非常多的状态 那这个详细解释呢 就见我们后面的文档 这里还要跟大家提一下的就是我们在大的TI Design里面 包含了一个小TI Design就是我们高压侧的 驱动 这个驱动是一个隔离型的驱动 在这个驱动里面相当于是集成了一个隔离的DCDC 去供电 那这个 我们UCC21520这个 隔离驱动芯片是半桥 上下两个管子的 一个半桥的驱动 那它的一些主要的性能指标 以及它的隔离的耐压等级的性能指标 大家可以从这里做一个简单的了解 如果您在系统方案确定的时候需要用到隔离驱动 您可以去TI的官网去详细查看这颗芯片相关的资料 手册 以及在这个芯片的介绍页面 会直接帮您列出我们TI用这颗芯片做出的TI Design 比如说这个TIDA-01159 您从这个TI Design中可以拿到它相关的硬件 以及它如果有软件会有一些软件的东西 会在这个TI Design中给大家公开 那这个是它的大概体积的比较 这一元钱貌似不是我们大陆地区的 那这个UCC21520这颗隔离驱动芯片呢 它的一些主要特性6到4安的驱动能力 还有它整个的带宽 最高可以到5兆 工作的这个频率 以及整个隔离的耐压的能力 那这个是我们列出的一些主要的技术指标 当然并不全面 所以说还是 如果大家想全面了解这颗芯片全面评估这颗芯片的话 请大家去TI的官网 ti.com上面 去搜索这个料号得到它更多更详细的信息 好 我介绍的部分就到这里 谢谢大家的时间 欢迎大家继续关注TI的相关产品