本文介紹了基于小華HC32F334數(shù)字電源控制器的雙向DC/DC雙有源橋(DAB,Dual Active Bridge)參考設計，著重介紹了：

通過HC32F334 HRPWM的移相功能實現(xiàn)三重移相控制；

利用HRPWM特色間歇控制模式輕松實現(xiàn)低紋波burst控制；

采用直接功率前饋控制，有效提升DAB方案的動態(tài)響應性能；

最后對比總結了雙向DC-DC拓撲的優(yōu)劣與發(fā)展趨勢。

更多功能歡迎大家親測品鑒。

1.參考設計簡介

隨著新能源需求的增加，大功率雙向直流變換器受到越來越多的關注，雙有源橋以其卓越的雙向性能在新能源汽車、電力電子變壓器、可再生能源發(fā)電等場合有著重要的應用。小華半導體基于HC32F334控制器推出了雙有源橋DAB應用方案，其主要規(guī)格參數(shù)如下表所示：

表1 DAB規(guī)格參數(shù)

雙有源橋DAB的拓撲結構和基于HC32F334的方案框圖如圖1.1所示。

圖1.1 小華DAB方案控制框圖

該方案主要實驗結果如下所示。

圖1.2 DAB參考設計實驗結果

方案的主要優(yōu)勢與特點概要總結如下表2所示。

表2 DAB方案優(yōu)勢與特點

2.方案優(yōu)勢及特點

2.1 采用三重移相控制，系統(tǒng)效率高

傳統(tǒng)的DAB調(diào)制策略為單移相控制(SPS,Single Phase Shift)，僅通過調(diào)節(jié)兩側(cè)H橋輸出交流方波之間的移相角來控制功率的流動。SPS控制操作簡單，并且能夠?qū)崿F(xiàn)重載狀態(tài)下所有開關管的零電壓開通，當電壓傳輸比為1時，可以實現(xiàn)全功率范圍內(nèi)的ZVS。但當DAB的電壓傳輸比不等于1時，在輕載狀態(tài)下部分開關管將會失去ZVS特性，如圖2.1所示（橫軸為原副邊移相角占空比，縱軸為功率標幺值），且SPS控制下電流環(huán)流大，使得電流應力大，進一步導致系統(tǒng)效率降低。

圖2.1 SPS控制下軟開關范圍

本參考設計采用三重移相控制(TPS, Triple Phase Shift），在原副邊移相的基礎上、引入原邊橋臂移相角和副邊橋臂移相角兩個變量。在全功率范圍下實現(xiàn)ZVS或ZCS的同時，使得電流應力最小。圖2.2給出了傳統(tǒng)SPS控制和本參考方案采用的TPS控制下的電流應力對比，圖中橫軸為功率標幺值，縱軸為電流應力標幺值，可以看出，TPS控制下電流應力均小于SPS控制，且當DAB接近滿載時，電流應力較為接近，所以TPS控制策略在DAB輕載時優(yōu)化效果更好。

圖2.2 TPS和SPS控制下電流應力變化曲線對比（紅色：TPS；藍色：SPS）

基于HC32F334的DAB控制框圖如圖2.3，控制兼容SPS和TPS兩種控制方案，可得到兩種控制下的效率對比，如圖2.4，可以看出采用TPS控制下效率普遍優(yōu)于SPS控制，特別是在輕載工況下效率有顯著提升。

圖2.3 基于HC32F334的DAB控制框圖

圖2.4 不同工況下的效率測試對比

2.2 基于直接功率前饋控制，動態(tài)性能好

傳統(tǒng)電壓環(huán)控制下變換器的動態(tài)性能與PI控制器相關，對于變換器不同的工作狀態(tài)，同一PI控制器參數(shù)并不適用，尤其在輸入電壓波動、負載跳變時，輸出電壓需要較長時間才能重新穩(wěn)定，在此過程中會伴隨一定的電壓跌落或超調(diào)。而變換器的輸出電壓之所以產(chǎn)生跌落和超調(diào)，其根本原因是輸出電容的充電功率Pin（即變換器傳輸功率）和放電功率Pout（即負載功率）不一致，導致電荷累積或釋放而引起母線電壓變比，因此，實現(xiàn)快速的功率平衡Pin=Pout，是保證快速動態(tài)響應的核心所在，這種方法被稱為直接功率控制。DAB可以傳輸?shù)淖畲蠊β适?，對實際負載功率標幺化可得：

DAB可以傳輸?shù)淖畲蠊β适?/p>

對實際負載功率Vout Iout標幺化可得：

Ppu作為功率前饋與PI環(huán)結果（用來抵消系統(tǒng)損耗導致的額外功率消耗和參數(shù)離散性）相加得到最終的輸入功率標幺值，然后通過TPS各占空比計算公式得到此時的各移相角。圖 2.5是正向運行時，額定輸入380V，輸出48V，負載從10%突變到90%的波形如圖 2.5，系統(tǒng)從突發(fā)模式切換至正常運行，采用直接功率控制加載瞬間電壓跌落約2V，跌落深度小于5%（2.4V），而傳統(tǒng)控制跌落約5.2V，超過10%的跌落深度，可以看出直接功率控制下瞬態(tài)性能得到了顯著提升。

圖2.5 負載從10%突變到90%（正向運行，輸入380V）（左：傳統(tǒng)PI控制；右：功率直接控制）

3.HC32F334對優(yōu)異性能的支持

3.1 HRPWM 130ps高分辨率移相功能對精準移相控制的支持

目前DAB主流控制策略為移相控制，又分為一重移相控制，雙重移相控制和三重移相控制。通過選擇調(diào)整原副邊相位，原邊橋臂間的相位以及副邊橋臂間相位中的一個或多個相位作為控制量，來實現(xiàn)功率傳輸。因此DAB移相控制需要控制器提供穩(wěn)定可靠動態(tài)調(diào)整相位的4組PWM波。

HC32F334的HRPWM支持最多6對PWM的移相或交錯控制，滿足DAB的4對互補PWM的資源需求；且支持最高分辨率130ps的相位調(diào)整，可實現(xiàn)相位動態(tài)調(diào)整。HRPWM模塊支持三角波和鋸齒波兩種計數(shù)模式下的相位匹配，參考方案采用鋸齒波計數(shù)模式，因此以鋸齒波計數(shù)模式為例介紹該模塊實現(xiàn)移相控制發(fā)波示意圖如圖3.1，單元1為主單元，單元2-6為從單元，單元1有5個相位比較基準值寄存器，以PHSCMP1A為例，當主單元即單元1計數(shù)counter等于PHSCMP1A時產(chǎn)生相位匹配事件，從單元在相位匹配事件發(fā)生時做出啟動和清零兩種動作，通過改變PHSCMP1A的值，即可改變主單元和從單元的相位關系。為了方便實現(xiàn)雙向功率流動下的超前和滯后相位的實現(xiàn)，如圖3.2，以單元1作為基準單元，單元2，單元3，單元6和單元4分別選擇4個相位比較基準寄存器PHSCMP1A~PHSCMP4A同步來實現(xiàn)相對主單元1移相發(fā)波，間接來控制從單元2、3、6和4之間相位關系，實現(xiàn)超前和滯后的靈活變化。

圖3.1 HRPWM實現(xiàn)移相控制發(fā)波示意圖

圖3.2 DAB PWM配置

3.2 HRPWM特色間隔輸出控制器對輕載突發(fā)模式的支持

在電源系統(tǒng)設計中，為了在系統(tǒng)處于空載或輕載工況時提高系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率、降低功耗，需要進入突發(fā)模式（burst模式）：即通過間歇式開關，周期性開啟或關閉PWM，減少不必要的開關。利用傳統(tǒng)MCU做控制時需要軟件額外消耗算力去控制間歇周期，HC32F334特色間歇輸出控制模式可以協(xié)助用戶輕松實現(xiàn)正常運行與burst模式的平滑切換。該參考設計采用HC32F334特色間隔輸出功能實驗波形如下圖所示，圖3.3和圖3.4中系統(tǒng)處于正向運行，額定380V輸入，48V輸出，圖3.3為負載0.1A時的輸出波形，可以看出由于burst控制下輸出電壓穩(wěn)定，沒有明顯波動，圖3.4中可以看出當負載變化時，特色間歇輸出控制器可以平滑切出burst模式，進入正常運行模式。

圖3.3 輕載burst運行實驗波形（正向）

圖3.4 burst模式切出波形

HRPWM的間隔輸出控制器的功能簡介如下：控制器允許通過硬件控制HRPWM_PWMA交替輸出空閑狀態(tài)（停止輸出有效PWM）和運行狀態(tài)（輸出有效PWM）。在間隔輸出空閑狀態(tài)下，HRPWM_PWMA的端口狀態(tài)可以設置為不受影響或者輸出空閑狀態(tài)的電平。間隔輸出控制器包括：

-1個計數(shù)器（BM-counter）

-1個比較寄存器：HRPWM_BMCMAR，用以定義空閑狀態(tài)的持續(xù)時間

-1個周期寄存器：HRPWM_BMPERAR，用以定義空閑狀態(tài)和運行狀態(tài)的總和

間隔輸出控制器支持兩種模式，當配置使其工作在模式1時，如圖3.5，當觸發(fā)信號發(fā)生時，間隔輸出先進入空閑，間隔輸出的空閑時間持續(xù)BMPCMAR+1個間隔輸出計數(shù)時鐘周期，之后當BM-counter等于BMCMAR時進入運行狀態(tài)；當間隔輸出工作在模式2時，如圖3.6，當觸發(fā)信號發(fā)生時，間隔輸出先進入1個間隔輸出計數(shù)時鐘周期的運行狀態(tài)，再進入空閑狀態(tài)，空閑時間的持續(xù)時間為BMPCMAR個間隔輸出計數(shù)時鐘周期，之后再進入運行模式直至BM-counter等于BMPERAR。

圖3.5 間隔輸出模式1時序圖

圖3.6 間隔輸出模式2時序圖

參考方案采用模式2，控制BMCMAR的值，來控制輸出脈沖個數(shù)，當BMCMAR=0時進入全運行狀態(tài)，當BMCMAR=BMPERAR+1時，系統(tǒng)進入全空閑狀態(tài)，不需要改變控制寄存器即可平滑進入或退出burst模式。模式2下用戶可以選擇固定間隔控制的周期寄存器值，改變輸出脈沖個數(shù)，來實現(xiàn)輸出電壓平滑控制或者可以固定輸出脈沖周期個數(shù)，通過改變間隔控制的周期寄存器值來實現(xiàn)burst控制。參考設計DAB方案中選擇的是前一種控制方式，BMCMAR的計算方式如下，

其中P為控制環(huán)路輸出，Pth為進入間隔模式的閾值。

當P≥Pth時，限制BMCMAR最小值到0，此時系統(tǒng)進入全運行模式；

當P＜Pth時，BMCMAR值為處于空閑模式的cycle數(shù)，進入間隔模式；

當P = 0時，BMCMAR = BMCMAR + 1，系統(tǒng)進入全空閑模式。

4.雙向DC/DC拓撲發(fā)展趨勢

目前，雙向DC-DC變換器主要分為非隔離式和隔離式，常用拓撲的對比如下表3。

表3 常用DCDC變換器拓撲比較

非隔離型DC-DC雙向變換器有Buck變換器，Boost變換器，Buck-Boost變換器，Cuk變換器，Sepic變換器，Zeta變換器等。其中雙向Buck/Boost變換器拓撲結構簡單，能量轉(zhuǎn)化效率較高，被廣泛應用。但非隔離型變換器受限于其拓撲結構，電壓調(diào)節(jié)范圍較小，只適用于小功率等級和無需電氣隔離的場合。

隔離式拓撲主要可以分為反激、正激、推挽、半橋、全橋等結構，在半橋或全橋結構中加入諧振單元，如LC，LLC，CLLC，CLLLC等即可變成諧振變換器。其中全橋硬開關DCDC結構和控制簡單，廣泛應用于小功率場景。但在功率較大電壓等級較高的應用場景中，雙有源橋結構即原副邊均采用全橋結構得到了更廣泛的應用，其具有電路結構簡單，拓撲結構對稱，方便實現(xiàn)功率雙向流動，功率密度高，可實現(xiàn)ZVS等優(yōu)勢，因此廣泛應用于戶外充電樁、戶儲DC-DC等領域。非諧振型DAB電路拓撲是利用單電感進行能量傳遞的結構，為了系統(tǒng)效率的提高和功率密度的改善，諧振型DAB開始受到重視，將LC串聯(lián)諧振與DAB相結合，得到了串聯(lián)諧振型雙有源橋（SRDAB），圖4.1，該電路僅通過加入一個諧振電容元件即可使諧振電感電流趨于正弦波，有效濾除了電流中的高頻分量，而且變換器的雙向能量傳輸能力也十分出眾，因而也被廣泛應用。

圖4.1 串聯(lián)諧振型雙有源橋變換器拓撲

在SRDAB變換器基礎上也演變出不同的諧振類型，如LLC型，LCC型，CLLLC型等，但在雙向應用中有局限性，LLC型DAB反向工作時軟開關特性差，在雙向功率傳輸應用中并不理想；LCC型DAB由于電路不對稱性使得變換器的正反向工作狀態(tài)不同，需要根據(jù)不同的工作狀態(tài)制定不同的方案，在實際應用中難以發(fā)揮作用；CLLLC型在LLC基礎上在副邊增加了一組LC，雖然實現(xiàn)了電路拓撲的對稱性，但是增加了較多的諧振原件，使得成本升高，且不利于高功率密度的實現(xiàn)。

因此綜合考慮下，SRDAB變換器具有元器件相對較少，寬電壓范圍，高效率，易于實現(xiàn)雙向能量傳輸?shù)葍?yōu)點，在大功率DC/DC雙向變換器中被廣泛使用。傳統(tǒng)DAB以及SRDAB的當前調(diào)制方案的發(fā)展趨勢均是多自由度和高靈活性，普遍選擇包括移相調(diào)制，變頻調(diào)制和脈沖寬度調(diào)制在內(nèi)的調(diào)制方法，小華HC32F334很好地支持上述三種調(diào)制方式，歡迎大家開發(fā)探討。小華會也將開發(fā)SRDAB參考設計，敬請期待。

2.總結

雙有源橋DAB以其雙向運行的對稱性，模塊化程度高，具有電氣隔離等優(yōu)點被廣泛應用于電動汽車，儲能系統(tǒng)和微電網(wǎng)等領域。本文詳細介紹了基于小華HC32F334數(shù)字電源控制器的雙有源橋DAB參考設計，重點介紹了小華自研HRPWM模塊靈活的移相控制；同時HRPWM的間隔輸出模式方便實現(xiàn)輕載burst輸出，減小burst模式下輸出紋波；在應用算法上，采用直接功率控制和三重移相控制：相比于一重移相控制，三重移相控制能明顯提高系統(tǒng)效率，特別是輕載工況下，效率提升更加明顯；加入的直接輸出功率前饋控制，相比于單純PID補償器調(diào)節(jié)能極大地提高動態(tài)性能。

上述分析表明，小華HC32F334從芯片層面保證了實現(xiàn)移相控制和間隔輸出控制，讓用戶使用起來更便捷、更安全！同時應用算法上也基于行業(yè)know-how進行了瞬態(tài)性能優(yōu)化，數(shù)字電源控制小華更懂你！

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