隨著光儲新能源、車載電源、便攜式儲能、陽臺光伏等雙向能量傳輸的需求，上期發布隔離型雙向DC/DC DAB以來、客戶反饋需求強勁、同時反饋非隔離型雙向DC/DC一樣需求迫切、為此本期給大家帶來非隔離四開關BUCK-BOOST雙向DC/DC方案 (FSBB-Four Switch Buck-Boost）。

本文介紹了基于小華HC32F334數字電源控制器的FSBB參考設計，著重介紹了：

采用簡化變頻控制的優勢：

化多控制變量為單一控制量，計算量小，易于MCU實現；

在寬輸入輸出范圍內實現全負載范圍ZVS、提升系統效率；

電感電流有效值最優控制，減少導通損耗、進一步優化效率；

DCM/CCM無縫切換，實現平滑切換的同時進一步提升硬件功率傳輸能力；

CCM變頻工作模式下，頻率變換范圍窄，有利于濾波元器件設計；

增加電感負電流檢測延時補償，消除硬件延時導致的功率損耗；

通過HC32F334 HRPWM的外部事件輕松實現簡化變頻控制；

最后對比總結了非隔離型雙向DC-DC拓撲；

更多功能期待大家親測品鑒。

參考設計簡介

隨著環保節能需求的增加，具有升降壓能力的直流變換器受到越來越多的關注，四開關BUCK-BOOST (FSBB)以其卓越的升降壓性能以及能量雙向流動的特性在燃料電池、通信系統，可再生能源發電等場合有著重要的應用。小華半導體推出了基于HC32F334控制器的四開關BUCK-BOOST（FSBB）應用方案，該方案的拓撲結構和基于HC32F334的控制框圖如圖1-1所示。

圖1?1 小華FSBB方案控制框圖

其主要規格參數如下表所示，對應的V-I曲線如圖1?2所示：

表1 FSBB規格參數

圖1?2 四開關BUCK-BOOST輸出VI曲線

該方案主要實驗結果如圖1-3所示。

圖1-3 FSBB參考設計實驗結果

方案的主要優勢與特點概要總結如下表2所示。

表2 FSBB方案優勢與特點

方案優勢及特點

2.1 簡化變頻控制的優勢

FSBB控制模式有兩個方向，一種是多模式PWM硬開關模式，另外一種是電感電流四邊形軟開關模式。

多模式PWM硬開關策略：常用三模式控制策略如圖2-1，即根據輸入輸出電壓的差異工作在不同模式：BUCK模式（Vg > Vo + Vth）、BOOST模式（Vg < Vo - Vth），以及Buck/Boost模式（Vo – Vth < Vg < Vo + Vth）。這種控制模式工作在硬開關，電感電流應力大，開關損耗大。

圖2?1 多模式PWM控制

電感電流四邊形控制：為了提高效率及功率密度。提出了電感電流的四邊形軟開關控制，波形如圖2-2。該模式下把電感電流分為四段T1，T2，T3和T4,對應的電流為Izvs，I1，I2，I3，只需要每個轉折點的電流大于Izvs就可以實現ZVS。還可以通過優化電感電流時間（T1，T2），使電感電流有效值最小，進一步減小導通損耗。但是電感電流有效值最小的優化控制，最優的開通時間 [T1,T2]optimal = f(Vg,Vo,Io)，要實時地計算最優的（T1，T2）值，計算量大，經常會通過查表法得出不同負載狀態下的最優開通時間。

圖2?2 電感電流四邊形控制

在介紹本方案采用的簡化變頻控制前，我們先看下DCM簡化控制和CCM變頻控制：

DCM的簡化控制：在寬輸入輸出范圍應用條件下，要實現電感電流最小控制，需要多維查表，需要很大存儲空間。通過下面圖2-3可知，只有I1 = Izvs（Buck模式），或者I3 = Izvs (Boost模式)，電感電流有效值始終最小，其中粉紅色為最小電感電流有效值最小控制，陰影區域為表示一個周期傳遞的能量大小。因此可以通過此條件，利用公式（1）得到T1的最優解。因此電感電流最優解轉為求T2的解。由多維變量控制變為單一變量控制。計算量大大降低?？梢酝ㄟ^PI即可以得出T2的值。

圖2?3 DCM模式下最小電感電流波形

CCM的變頻控制:簡化DCM模式下，FSBB最大功率受到限制，尤其是輸入電壓等于輸出電壓的時候，輸出的最大功率很小。為了解決這個問題，提出了連續導通模式變頻控制。當負載增加到T4消失進入CCM后，被控對象變為T1，而T2由公式2決定。這樣電感電流在T1處的值隨著負載變化而變化，在相同的硬件條件下提高了帶載能力。從頻率角度上看，T1隨著負載的變化而變化，只要電流稍微變化就可以帶來較大的傳輸能量變化，因此總的來說頻率變化范圍小。如圖2-4為輸出50V、不同輸入電壓下最大輸出功率時的頻率曲線。從圖中可以看出，最低頻率才85kHz（輸入電壓等于輸出電壓的條件下）。

圖2?4 頻率變化@50V/Pmax

本方案采用的簡化變頻控制：集成了上述簡化DCM控制和CCM變頻控制的優點。即輕載DCM定頻控制，選擇T2作為控制調節量，T1由公式1確定，此時電感有效值最??；當負載增加到T4消失進入CCM后采用變頻控制，選擇T1作為控制量，而T2由公式2決定。在這樣的控制策略下，任何時刻只有一個控制變量，由多維計算轉變為一維運算，大大減少了計算量，易于用MCU來實現；引入變頻CCM模式控制提升了硬件功率傳輸能力，并且頻率變化窄。典型波形如圖2-5。

圖2?5 簡化變頻控制

綜合以上簡析，可見本方案采用的DCM/CCM混合簡化變頻控制能夠：

化多控制變量為單一控制變量，計算量小，易于MCU實現；

在寬輸入輸出范圍內實現全負載范圍ZVS、提升系統效率；

實現電感電流有效值最優控制，導通損耗低，進一步優化效率；

CCM變頻工作模式下，頻率變換范圍窄，有利于濾波元器件設計；

2.2 DCM/CCM無縫切換，保證輸出平穩過渡

為了實現DCM模式和CCM模式的之間的無縫平滑切換，給出了統一的控制變量Tu,該變量是輸出電壓/電流的PI輸出。T1，T2以及Tu的關系如圖2-5所示。在DCM模式下，T2 = Tu，T1由公式（1）確定，在臨界模式，T2max = Tu,進入CCM模式后，T2為T2max，Tu和T2max的差值會疊加到T1，這樣當負載變化時候，Tu是連續變化，變換器的工作狀態也是連續的。

2.3 采用電感負電流檢測延時補償，進一步提高效率

本參考設計采用簡化變頻控制，輕載時FSBB工作在定頻DCM模式、電感電流有效值最小，重載時FSBB工作在變頻CCM模式。系統框圖如圖2-6，ZCD1是正向工作時的電感負電流檢測，ZCD2是反向工作時候的電感負電流檢測，Ref是負電流的參考值。

由于硬件采樣以及MCU響應外部事件的延時會導致負電流增加，電感電流有效值增加，效率降低。電感電流的變化量由公式3確定。

通過公式（3）可以看出，電流的變化值和輸出電壓成正比，和延遲時間成正比。從實際中可以測量這個延時時間。由公式（3）可以得出在不同負載下的電流變化值。在程序中，改變電感負電流檢測電路的參考值Ref，使整個系統在不同輸出電壓下的負電流一致。最終消除由于采樣延遲導致的功率損耗。

圖2?6 基于HC32F334的控制框圖

HC32F334對優異性能的支持

簡化變頻控制，通過檢測輸入輸出狀態、電感負電流（ZCD）來實現變占空比和變頻控制。

以正向工作為例說明HRPWM如何來實現簡化變頻控制。

S1和S2，S3和S4互補發波（插入死區）；

在正向工作，輸出電壓/電流通過PI決定S1的開通時刻和S3開通時刻，S3的關閉時刻（S4的開通時刻）則取決于電感負電流信號ZCD1，一旦檢測到ZCD1信號，S3就關閉，一定死區延時之后，S4打開。整個邏輯圖如圖3-1所示。這里ZCD1信號有兩個作用，在輕載時決定S3的占空比，在重載的時實現變頻控制。

圖3?1 簡化變頻控制PWM配置以及典型波形

（1）通過HRPWM移相功能可以實現單元間的同步以及相位調節，在本參考設計中HRPWM2就是通過相位功能同步到單元1，相位值PHSCMP1 = 0；

（2）外部事件可以直接作用于HRPWM動作（如圖3-2）;而且還可以配置在計數器向上或者向下時刻動作。

本參考設計S3就是在外部事件ZCD1發生時置低，S4在ZCD1發生之后插入死區置高。

圖3?2 PWM動作模塊

（3）外部事件可以清零計數器，加上外部事件消隱功能和外部事件Latch功能實現自動變頻控制。

圖3?3 外部事件處理框圖

HRPWM靈活多變的外部事件處理方式，滿足客戶多樣需求。

HRPWM外部事件源豐富：10個端口事件，比較器輸出事件（CMP），ADC看門狗事件均可以作為外部事件源，并且濾波和極性（高電平，低電平，上升沿，下降沿）均可配置；

HRPWM外部事件處理功能強大：可以觸發延遲空閑、PWM動作、觸發計數器清零、捕獲以及間隔模式；

HRPWM外部事件還有消隱/窗口功能：在用戶指定的時間起作用。對不同的外部事件可以有5個時間段[0,OFFSENT]，[0,WINDOWN]， [REIOPD,OFFSENT]，[RERIOD,OFFSENT]，[OFFSENT,WINDOWN]可供選擇；

本參考設計選用ZCD1連接到PB5作為正向工作HRPWM1的清零源（HRPWM_EEV6），同時作為HRPWM2的動作源，在ZCD1發生時S3置低；為了實現變頻工作（頻率變換范圍[50Khz,100Khz]）。HRPWM1增加了消隱功能，消隱區間[0,10us]，并且加上Latch鎖存功能，如果ZCD1發生在10us（100Khz）以內，延時到100Khz才起作用，如圖3-4所示，如果ZCD1發生在10us，20us，會立刻起作用，如圖3-1所示。由此就實現了變頻控制。HRPWM2又通過移相功能同步到HRPWM1，因此整個系統就根據ZCD1發生的不同時刻實現變頻控制。

圖3?4 事件消隱模式

HRPWM2對ZCD1也增加了消隱功能，消隱區間為[0,HRPWM1-HRGCMPA]，HRPWM1-HRGCMPA為S1的開通時間，主要目的是只有在負電流發生的時間段才能起作用，有效避免干擾影響、提升系統可靠性。

非隔離雙向DC/DC拓撲對比總結

目前，非隔離雙向DC-DC常用拓撲如圖4-1，拓撲的對比如下表3所示。

圖4?1 常用非隔離DCDC拓撲

表3 常用DCDC變換器拓撲比較

雙向Buck/Boost變換器電路拓撲結構簡單，控制較為成熟，但在單一方向上只能實現升壓或降壓變換,不適用于同時實現升降壓的場合。

雙向Buck-Boost變換器拓撲結構簡單且能同時實現升降壓,但其輸入輸出電壓極性相反，輔助電路和驅動電路的設計較為復雜。

雙向Cuk變換器輸入電流和輸出電流脈動小，濾波器的設計較為簡單，但是其無源器件較多，輸入能量傳遞到負載需要經過三次變換，因此其功率密度較低，同時存在輸入輸出電壓極性相反的問題。

雙向Sepic-Zeta變換器能夠同時實現升降壓，且輸入輸出電壓極性相同，但其與雙向Cuk變換器一樣存在著無源器件較多，功率密度較低的問題。

FSBB變換器功率器件兩端承受的電壓為輸入電壓或輸出電壓，與其他三種升降壓型變換器相比電壓應力較小。與雙向Cuk和雙向epic/Zeta相比，其電感、電容等無源元件較少，可以實現較高的功率密度。雖然其開關管數量較多, 但數字控制技術的引入、在簡化其硬件設計的同時、提升了轉換效率；以上特性使得FSBB得到廣泛應用。同時參考小華FSBB參考設計，可以輕松實現雙向buck/boost方案。

總結

FSBB以其雙向運行可升可降壓的特性，并且模塊化程度高、對稱性好等優點被廣泛應用于電動汽車，儲能系統和通信設備等非隔離供電系統領域。本文詳細介紹了基于小華HC32F334數字電源控制器的FSBB參考設計，重點介紹了小華自研HRPWM模塊靈活的外部事件處理機制；在應用算法上，采用簡化變頻控制和電感負電流檢測延時補償：相比于多模式PWM控制，能明顯提高效率和功率密度；相比較于電感電流四邊形控制能明顯降低控制復雜度和對芯片存儲容量的需求，還提升了硬件功率轉輸能力、拓寬了輸入輸出范圍。電感負電流延時補償可以消除由于硬件延遲對效率的影響。

上述分析表明，小華HC32F334從芯片層面保證了基于外部事件的變占空比+變頻控制，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know-how進行了性能優化，數字電源控制小華更懂你！

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