芯文芯事丨基于RH850/P1x的双向DC-DC变换器设计-电子发烧友网

点击上方“蓝字”关注我们！

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(BidirectionalDC-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。

图1BDC拓扑结构

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。

图26相BDC拓扑结构

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。

RH850/P1x简介

RH850/P1x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PSI5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EVITAMedium级别的安全要求。RH850/P1x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。

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。

图36相12路移相互补PWM波形图

BDC设计

图4BDC系统框图

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、TAUD0、TAUD1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。

图5HSP-PWM工作时序图

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。

图6A/D触发设置框图

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：

TSG30DCMP0E:1st phase

TSG30DCMP1E:2nd phase

INTTAUD0I7:3rd phase

TSG30DCMP0E:4th phase

TSG30DCMP1E:5th phase

INTTAUD1I7:6th phase

BDC实现结果

由于RH850/P1x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76相移相互补PWM波形图

图7是6相移相互补PWM输出时，其中H1、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，H1和L1通道之间包含死区时间。

图86相移相互补PWM电流采样点

图8是6相移相互补PWM输出时，其中H1、H2、H3和电流采样点的波形图，可以看到H1、H2、H3通道之间保持移相，在H1和H2高电平中间点触发A/D采样。

图9DMAC传输完成时序图

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。

结语

本文分析了BDC基本原理，并基于瑞萨电子RH850/P1x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。

关于我们

瑞萨电子株式会社 (TSE: 6723) ，提供专业可信的创新嵌入式设计和完整的半导体解决方案，旨在通过使用其产品的数十亿联网智能设备改善人们的工作和生活方式。作为全球领先的微控制器供应商、模拟功率器件和SoC产品的领导者，瑞萨电子为汽车、工业、家居、办公自动化、信息通信技术等各种应用提供综合解决方案，期待与您携手共创无限未来。更多信息，敬请访问 renesas.com。