周振齐
进入21世纪,随着环境污染、温室效应、石油危机等问题的日益突出,电动汽车发展迅速。电动汽车使用电池替代传统的燃油作为车载能源,在现有的技术条件下,动力电池的性能仍然是电动汽车发展的主要瓶颈。使用BDC(Bidirectional DC-DC,双向DC-DC)变换器可以优化电机控制,提高电池的性能和整车的效率。
对于电机驱动操作,BDC转换器升压级用于升高电池电压并控制逆变器输入。车辆再生制动通过转换器降压级来完成,该降压级为制动电流提供路径,将回收的能量给电池充电。
基本的非隔离BDC变换器拓扑是升压级和反并联连接的降压级的组合,其拓扑结构如图1所示。
为了提高功率密度,在高功率密度BDC变换器应用中发明了更小电感的多相电流交错技术,其具有较小的器件电流应力和更高效率的优点。图2所示是6相非隔离BDC转换器拓扑,相开关为60度相移控制,总电流纹波将变得相对较小,因此使用小电容在低压侧和高压侧都可承受电压纹波。
1.RH850/P1x简介
RH850/Plx系列是采用全球领先40nm工艺设计的汽车32位MCU,具有超低功耗、高性能、高可靠性等特点;集成了电机定时器TSG3/GTM、CAN/CAN-FD、FlexRay、Ethernet、CSIH/SPI、SENT和PSl5等外设模块和通信接口;采用锁步双核系统(Lockstep),集成错误检查和校正(ECC)功能,具有故障检测功能和内置自检(BIsT)功能,错误控制模块(ECM)允许用户根据具体情况管理各功能发出的错误信号输入,进而帮助保持系统安全性和可靠性。达到车载系统功能安全国际标准ISO26262的最高安全级别AsIL-D;在防止黑客和病毒攻击的车载网络安全方面,实现了相当于EVITA Medium级别的安全要求。RH850/Plx系列具有完整的工具链生态环境,支持基于模型设计和AutoSAR开发。
2.BDC技术要求
本文主要关注BDC实现中的关键控制问题:移相PWM的产生和控制,以及相电流自动采样和自动传输实现机制。下面是能输出最高6相12路移相互补PWM的BDC技术要求样例:
最大输出6相移相PWM,每相有2路互补PWM通道组成;
PWM相的数量可以设定,对应的相位移可以设定;
未使用或紧急状况下,PWM管脚可以设为高阻抗模式;
PWM频率:100KHz或周期:10us;
每相PWM的占空比可以独立设定;
在每相高电平的中间点触发电流采样;
电流限值报警功能;
完成10次电流、电压等采样,自动传输结果。
图3是6相12路移相互补PWM波形实现示意图。
3.BDC设计
图4是使用RH850/P1M实现BDC的系统框图。主要使用到RH850/P1M内部如下的模块和功能:
A、TSG30和TSG31定时器模块:产生6相12路移相互补PWM,每相PWM的占空比独立可调;在上桥臂PWM高电平中间点触发ADC采样;
B、TAUD定时器:在上桥臂PWM高电平中间点触发ADC采样;
C、PIC1A内联模块:保持TSG30、TSG31、TAUDO、TAUDI定时器同步;
D、PIC2B内联模块:A/D触发设定;
E、ADCD模块:A/D采样电流、电压等模拟信号,触发DMAC传输;
F、DMA模块:自动传输A/D采样结果到RAM。
为了产生BDC需要的移相PWM,将使用到TSG3模块的HSP-PWM高精度移相PWM模式,图5是单个TSG3x模块的HSP-PWM工作模式的时序图,单个TSG3x模块可以产生3相移相互补PWM。
为了保证BDc控制的精度,通常会在每相的上桥臂PWM高电平中间点触发A/D采样,图6是TSG3的A/D触发设置框图。
为了补充TSG3的A/D触发点,使用TAUD定时器增加2个A/D触发点,因此最多6个触发点设置如下:
TSG30DCMPOE:Ist phase
TSG30DCMPlE:2nd phase
INTTAUD017:3rd phase
TSG30DCMPOE:4th phase
TSG30DCMPlE:5th phase
INTTAUDll7:6th phase
4.BDC实现结果
由于RH850/Plx内部集成了TSG3、ADC、DMAC、TAUD等硬件模块,且模块间可以通过PIC内部联结模块实现同步和相互触发的功能,为BDC的实现提供了便利,并大大降低了CPU的负荷。
图7是6相移相互补PWM输出时,其中HI、H2、H3和L1通道的波形图,可以看到H1、H2、H3通道之间保持移相,HI和U通道之间包含死区时间。
图8是6相移相互补PWM输出时,其中HI、H2、H3和电流采样点的波形图,可以看到HI、H2、H3通道之间保持移相,在HI和H2高電平中间点触发A/D采样。
图9是DMAC完成传输A/D转换结果的时序图,在每10个PWM周期后完成自动搬运数据,满足设计要求。
5.结语
本文分析了BDC基本原理,并基于瑞萨电子RH850/Plx开发了BDC的系统方案,重点阐述了BDC中移相互补PWM产生、控制,以及相电流自动采样和自动传输等实现机制,实验证明RH850/P1x非常适合BDC的应用。