恩智浦基于DSC数字控制器的双向ACDC设计方案

前言

隔离型双向ACDC变换器作为连接电网和电池的桥梁，在OBC(On Board Charger)、户用储能、UPS(Uninterruptible Power Supply)等场景中得到了广泛应用。

隔离型双向ACDC变换器由一次侧的双向ACDC变换器，和二次侧的隔离型双向DCDC变换器组成。 当系统工作在电池充电状态时，双向ACDC变换器工作在整流模式，负责将电网交流电转换为直流电，并实现PFC(Power Factor Correction)功能； 当系统工作在电池放电状态时，双向ACDC变换器工作在逆变模式，负责将直流母线电压逆变为交流电压，为本地交流负载供电或者将电池能量反馈至电网。

本文简要介绍基于恩智浦DSC(DigitalSignal Controller)数字控制器开发的双向ACDC参考设计方案。 该方案主功率拓扑选用下图所示的全桥电路，主控芯片采用DSC系列MC56F83783数字控制器。

DSC是恩智浦为电能变换、电机控制等应用量身打造的DSP架构数字控制器。 DSC灵活的控制外设和高效的内核架构，可帮助电能在直流侧UDC和交流侧UAC之间，进行高效可靠的双向传输。 同时，DSC完善的配套开发环境和详细的参考设计资料可帮助用户缩短开发周期，加快产品上市速度。

逆变工作模式

下图所示为工作在逆变模式的双向ACDC变换器系统控制框图。

在该模式下，控制环路采用电压外环+电流内环的双环控制策略。 电压外环采用准PR(ProportionalResonant)调节器，从而提高交流输出电压的稳态控制精度。

在该平台上，交流输出电压有效值误差低于1%。 电流内环采用PI(Proportional Integral)调节器实现。 正弦电压参考基准、PR调节器和PI调节器均可通过调用恩智浦RTCESL(Real Time ControlEmbedded Software Library)库函数实现。

RTCESL库中包含数字电源应用中常用的调节器、数字滤波器、常用数学运算等函数，所有库函数均通过汇编语言实现。 通过调用库函数，用户可快速实现高效的数字控制算法。

另外，DSC片上比较器模块CMP可用于实现逆变器的逐波限流和过压保护等功能，帮助用户减少BOM成本。

最后，恩智浦提供实时在线串口调试工具FreeMASTER。 FreeMASTER可以以图形化的形式实时在线显示代码中变量的数值，这对于加快代码调试、快速定位问题很有帮助。

整流工作模式

下图所示为工作在整流模式的双向ACDC变换器系统控制框图。

在该模式下，变换器控制环路仍采用电压外环+电流内环的双环控制策略，电流内环为平均电流控制。 电压外环采用PI调节器，用于调节直流母线电压。

电网电压相位通过PLL(Phase-Locked Loop)锁相获取。 PLL输出、电压环输出和电网电压有效值前馈相乘，得到电流内环参考。 这里采用电网电压前馈算法，降低电网电压波动对变换器工作的影响。 电流环采用PI调节器，实现电网电流和电网电压的同相位控制，从而保证高功率因数。

最后，通过引入占空比前馈控制算法，减小电网电压过零点附近的电流畸变，从而降低电网电流THD(Total Harmonic Distortion)。

实验结果

这是双向ACDC变换器的主要规格：

下图是双向ACDC变换器硬件平台。 控制子卡HVP-56F83783和功率母板采用子母卡形式，通过金手指连接。

该设计方便用户根据自身需求，评估不同系列的DSC产品。

下图为工作在逆变模式下，变换器输出220VAC带整流性负载时的满载工作波形。

示波器1通道显示整流性负载电容两端电压，2通道显示变换器输出电流，4通道显示变换器输出电压。 在该工况下，交流输出电压THD为2.1%，变换器控制效果良好。

下图为工作在整流模式下，变换器输入110VAC带满载时的工作波形。

示波器1通道显示电网侧输入电流，2通道显示变换器直流母线电压，4通道显示电网电压。可见电网电流和电网电压基本同相位，表明功率因数校正效果良好。电流波形包络呈正弦，电流环跟踪效果较好。

小结

今天给大家简单介绍了恩智浦基于DSC数字控制器的双向ACDC参考设计方案。

审核编辑：汤梓红