基于恩智浦DSC數(shù)字控制器的雙向多模態(tài)ACDC參考設(shè)計方案

隔離型雙向ACDC變換器作為連接電網(wǎng)和電池的橋梁，在戶用儲能，車載充電OBC(On Board Charger)、UPS(Uninterrupted Power Supply)等場景中得到廣泛應(yīng)用。

作為全球領(lǐng)先的數(shù)字控制芯片供應(yīng)商，NXP致力于提供完整的生態(tài)以幫助用戶快速上手，縮短開發(fā)周期，加快產(chǎn)品上市速度，參考設(shè)計就是其中不可或缺的一環(huán)。針對隔離型雙向ACDC變換器，NXP開發(fā)了一套完整的參考設(shè)計方案。

隔離型雙向ACDC變換器由前級的雙向ACDC變換器和后級的隔離型雙向DCDC變換器組成，本文將介紹前級的雙向ACDC變換器參考設(shè)計方案。首先了解隔離型雙向ACDC變換器概念圖：

系統(tǒng)組成

NXP雙向多模態(tài)ACDC參考設(shè)計框圖如下：

全橋拓?fù)洌涸贏C-to-DC狀態(tài)下，變換器工作在整流模式，圖騰柱PFC負(fù)責(zé)將電網(wǎng)交流電轉(zhuǎn)換為直流電，并實現(xiàn)PFC（Power Factor Correction）功能；在DC-to-AC狀態(tài)下，變換器工作在逆變模式，兩電平H橋負(fù)責(zé)將直流母線電壓逆變?yōu)榻涣麟?，為本地?fù)載供電或?qū)⒛芰糠答佒岭娋W(wǎng)。

高頻濾波器：為兼容逆變模式下離網(wǎng)與并網(wǎng)運行，選用LCL作為高頻濾波器。

主控MCU：DSC系列MC56F83783數(shù)字控制器。DSC是NXP為電能變換、電機(jī)控制等實時控制應(yīng)用量身打造的DSP架構(gòu)數(shù)字控制器，其靈活的外設(shè)和高效的內(nèi)核架構(gòu)可幫助電能在直流側(cè)和交流側(cè)之間進(jìn)行高效可靠的雙向傳輸。

電壓電流采樣電路：為滿足不同模態(tài)工作需求，必須采集直流母線電壓、電網(wǎng)電壓、電網(wǎng)電流、逆變器輸出電壓以及變換器側(cè)電感電流。另外，本方案也采集了濾波電容電流用于抑制LCL諧振尖峰。

輔助電源：輔助電源可以由交流側(cè)供電，也可以由直流側(cè)供電。

通訊：一個UART轉(zhuǎn)USB可用于FreeMASTER連接/固件更新，并預(yù)留一個UART和CAN用于與其他模塊，例如后級DCDC，通訊。

系統(tǒng)軟件與功能

NXP雙向多模態(tài)ACDC參考設(shè)計方案可以工作在整流模式、獨立逆變模式以及并網(wǎng)模式，并且可以在各模式之間平滑切換。

整流模式

在整流模式下，圖騰柱PFC采用電壓外環(huán)+電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制策略控制，如下圖所示：

電壓外環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器，用于調(diào)節(jié)直流母線電壓

軟件PLL鎖相電網(wǎng)電壓相位，作為電流參考相位

輸入電壓前饋消除電網(wǎng)電壓波動的影響

電流內(nèi)環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器，實現(xiàn)電網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓的同相位控制，保證高功率因數(shù)

電壓前饋占空比補償減小電網(wǎng)電壓過零點附近畸變，降低電網(wǎng)電流THD

電容電流反饋抑制LCL諧振尖峰

支持電網(wǎng)電壓掉電檢測以及快速恢復(fù)

獨立逆變模式

在獨立逆變模式下，選取濾波電容電壓作為要控制的逆變器輸出電壓，控制環(huán)路采用電壓外環(huán)+電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制策略，如下圖所示：

電壓外環(huán)采用準(zhǔn)PR調(diào)節(jié)器，提高交流輸出電壓的穩(wěn)態(tài)精度

諧波補償器降低THD

電壓前饋解耦電壓環(huán)與電流環(huán)，簡化環(huán)路設(shè)計

正弦參考電壓和控制器通過調(diào)用NXP RTCESL庫實現(xiàn)，方便客戶快速實現(xiàn)高效的數(shù)字控制算法

支持逐波限流

并網(wǎng)逆變模式

在并網(wǎng)逆變模式下，采用電網(wǎng)電流單環(huán)控制，如下圖所示：

電流控制器采用準(zhǔn)PR+PI調(diào)節(jié)器，同時保證交流電流的穩(wěn)態(tài)精度和動態(tài)性能

軟件PLL鎖相電網(wǎng)電壓相位，作為電流參考相位

電容電流反饋抑制LCL諧振尖峰

電網(wǎng)電壓全前饋抑制電網(wǎng)電壓對并網(wǎng)電流的影響，提高THD

模式選擇和切換

NXP提供的FreeMASTER作為一種用戶友好型實時調(diào)試監(jiān)視器和數(shù)據(jù)可視化工具，支持對正在運行的系統(tǒng)進(jìn)行非侵入式變量監(jiān)測，并支持從軟件界面中直接修改相關(guān)的變量供調(diào)試。此多模式雙向ACDC變換器方案就選擇FreeMASTER作為基礎(chǔ)顯示和控制面板。

系統(tǒng)剛上電時，用戶首先需要在FreeMASTER中選擇期望的工作模式；當(dāng)系統(tǒng)開始工作后，除了根據(jù)外部信號變化自動切換模式外，也可以通過FreeMASTER手動改變系統(tǒng)工作模式。

實驗結(jié)果

下圖為多模式雙向ACDC變換器的硬件平臺，控制子卡HVP-56F83783和功率母板采用子母卡形式，通過金手指連接，該設(shè)計方便用戶根據(jù)自身需求評估不同系列的DSC產(chǎn)品。

下面列出一些典型的實驗波形，變換器控制效果良好： 整流模式：

獨立逆變模式：

并網(wǎng)逆變模式：

并網(wǎng)到獨立逆變模式切換波形：

獨立到并網(wǎng)逆變模式切換波形：

小結(jié)

NXP基于DSC數(shù)字控制器的雙向多模態(tài)ACDC參考設(shè)計支持整流模式、獨立逆變模式以及并網(wǎng)模式，并且可以在各模式之間平滑切換。

想要更深入地了解此方案以及DSC數(shù)字控制器相關(guān)信息，歡迎訪問NXP官網(wǎng)