基于恩智浦DSC数字控制器的双向多模态ACDC参考设计方案

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

作为全球领先的数字控制芯片供应商，NXP致力于提供完整的生态以帮助用户快速上手，缩短开发周期，加快产品上市速度，参考设计就是其中不可或缺的一环。针对隔离型双向ACDC变换器，NXP开发了一套完整的参考设计方案。

隔离型双向ACDC变换器由前级的双向ACDC变换器和后级的隔离型双向DCDC变换器组成，本文将介绍前级的双向ACDC变换器参考设计方案。首先了解隔离型双向ACDC变换器概念图：

系统组成

NXP双向多模态ACDC参考设计框图如下：

全桥拓扑：在AC-to-DC状态下，变换器工作在整流模式，图腾柱PFC负责将电网交流电转换为直流电，并实现PFC（Power Factor Correction）功能；在DC-to-AC状态下，变换器工作在逆变模式，两电平H桥负责将直流母线电压逆变为交流电，为本地负载供电或将能量反馈至电网。

高频滤波器：为兼容逆变模式下离网与并网运行，选用LCL作为高频滤波器。

主控MCU：DSC系列MC56F83783数字控制器。DSC是NXP为电能变换、电机控制等实时控制应用量身打造的DSP架构数字控制器，其灵活的外设和高效的内核架构可帮助电能在直流侧和交流侧之间进行高效可靠的双向传输。

电压电流采样电路：为满足不同模态工作需求，必须采集直流母线电压、电网电压、电网电流、逆变器输出电压以及变换器侧电感电流。另外，本方案也采集了滤波电容电流用于抑制LCL谐振尖峰。

辅助电源：辅助电源可以由交流侧供电，也可以由直流侧供电。

通讯：一个UART转USB可用于FreeMASTER连接/固件更新，并预留一个UART和CAN用于与其他模块，例如后级DCDC，通讯。

系统软件与功能

NXP双向多模态ACDC参考设计方案可以工作在整流模式、独立逆变模式以及并网模式，并且可以在各模式之间平滑切换。

整流模式

在整流模式下，图腾柱PFC采用电压外环+电流内环的双环控制策略控制，如下图所示：

电压外环采用PI调节器，用于调节直流母线电压

软件PLL锁相电网电压相位，作为电流参考相位

输入电压前馈消除电网电压波动的影响

电流内环采用PI调节器，实现电网电流和电网电压的同相位控制，保证高功率因数

电压前馈占空比补偿减小电网电压过零点附近畸变，降低电网电流THD

电容电流反馈抑制LCL谐振尖峰

支持电网电压掉电检测以及快速恢复

独立逆变模式

在独立逆变模式下，选取滤波电容电压作为要控制的逆变器输出电压，控制环路采用电压外环+电流内环的双环控制策略，如下图所示：

电压外环采用准PR调节器，提高交流输出电压的稳态精度

谐波补偿器降低THD

电压前馈解耦电压环与电流环，简化环路设计

正弦参考电压和控制器通过调用NXP RTCESL库实现，方便客户快速实现高效的数字控制算法

支持逐波限流

并网逆变模式

在并网逆变模式下，采用电网电流单环控制，如下图所示：

电流控制器采用准PR+PI调节器，同时保证交流电流的稳态精度和动态性能

软件PLL锁相电网电压相位，作为电流参考相位

电容电流反馈抑制LCL谐振尖峰

电网电压全前馈抑制电网电压对并网电流的影响，提高THD

模式选择和切换

NXP提供的FreeMASTER作为一种用户友好型实时调试监视器和数据可视化工具，支持对正在运行的系统进行非侵入式变量监测，并支持从软件界面中直接修改相关的变量供调试。此多模式双向ACDC变换器方案就选择FreeMASTER作为基础显示和控制面板。

系统刚上电时，用户首先需要在FreeMASTER中选择期望的工作模式；当系统开始工作后，除了根据外部信号变化自动切换模式外，也可以通过FreeMASTER手动改变系统工作模式。

实验结果

下图为多模式双向ACDC变换器的硬件平台，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。

下面列出一些典型的实验波形，变换器控制效果良好： 整流模式：

独立逆变模式：

并网逆变模式：

并网到独立逆变模式切换波形：

独立到并网逆变模式切换波形：

小结

NXP基于DSC数字控制器的双向多模态ACDC参考设计支持整流模式、独立逆变模式以及并网模式，并且可以在各模式之间平滑切换。

想要更深入地了解此方案以及DSC数字控制器相关信息，欢迎访问NXP官网