双向DC/DC转换器的设计考虑因素

David Zhan，瑞萨电子株式会社
2018年9月

摘要

随着电池和超级电容器等储能设备的广泛运用，目前的趋势是简化电池的充放电管理。双向DC/DC转换器就能实现此目标，以保持电池运行状况良好，同时延长电池运行时间。这种双向转换器使用一个功率回路来执行充放电操作。瑞萨电子已将此双向控制功能集成到了最新的控制器ISL81601中。借助高度集成的控制器，可轻松实现在线反方向功率流动和控制。

引言

随着我们减少对进口石油的依赖并利用可再生能源，世界和我们的日常生活方式都在发生变化。电池供电型便携式设备的使用不断增加也在我们不断改善的生活方式中发挥着重要的作用。促成这一趋势的关键因素是储能技术的发展和锂离子电池及超级电容器等高密度储能设备的广泛使用。这些储能设备连接到可再生能源系统（如风能和太阳能）以收集并储存能源，然后向电网或商业和住宅终端用户供应稳定电源。手机等便携式设备、无人机、机器人，甚至电动汽车完全依靠储能设备的电源来运作和完成它们的任务。

数据经济快速发展，其背后的信息技术是推动世界瞬息万变的另一力量。保持信息系统（如数据中心或电信系统）全天候运行非常重要，它们承受不起断电和停机的后果。因此，需要使用储能设备为这些信息系统提供后备电源。

储能设备通过从电源充电来收集和储存能源，然后通过放电向负载供应储存的电能。充放电过程需要得到精确管理，确保储能设备安全、可靠且使用寿命长。在大多数应用中，充放电功能通常由两个独立的功率回路控制，以实施不同的控制目标，如锂离子电池的小充电电流和大放电电流。

但是，有些应用需要快速从充电转换为放电或从放电转换为充电。例如，数据中心服务器中使用的DC备用电池系统需要快速从充电转换为放电以实现无缝的不间断供电；而用于制动操作的电机驱动系统需要快速从放电转换为充电。这些应用要求在充电和放电操作之间实现无缝快速转换，需要采用单个功率回路在线双向充放电转换的变换器。

通过将充电和放电功率回路组合在一起，可获得紧凑型设计，并降低系统成本，这也有利于不需要快速充放电转换的应用。
ISL81601升降压控制器为储能设备充放电控制应用提供了简单可靠的在线双向DC/DC功率转换解决方案。其独特的架构和控制算法为客户提供了技术上的自信和所需的商业价值。

双向DC/DC转换器拓扑

采用同步整流器(SR)的隔离式和非隔离式电路拓扑都可以实现双向运行。本文仅重点介绍非隔离式拓扑以简化讨论。通过添加隔离变压器，也可将结论推广到隔离式拓扑。

典型非隔离式双向变换器为升压型、降压型和四开关升降压型，如图1中所示。显然，降压型变换器可在反方向作为升压型变换器运行。而升压型变换器可在反方向作为降压型变换器运行。四开关升降压变换器只在2开关升压模式或2开关降压模式中运行，因此与单个降压型或升压型变换器类似，它也可以进行反方向运行。


图1.  双向DC/DC变换器拓扑

图2显示了两个不同的典型双向运行系统：2A电池充电/放电双向运行系统和2B超级电容器备用系统。ISL81601是四开关升降压控制器，能够实施在线双向运行控制。


2A.带有充电/放电双向DC/DC变换器的电池组


2B.超级电容器DC备用系统
图2. 双向DC/DC转换器的典型应用

在电池充电/放电系统中，当输出电压接近电池工作电压时，双向DC/DC变换器可以是四开关升降压变换器；当输出电压始终高于电池电压时，可以是升压型变换器；而当输出电压始终低于电池电压时，则可以是降压型变换器。四开关升降压变换器使用低压额定功率器件和低工作电流，因此可达到最佳效率。它还能够为充放电运行提供完整的过流和短路保护，从而确保电池操作安全。

在超级电容器DC备用系统中，双向DC/DC转换器应为升降压转换器，因为电容器需要放电到极低的电压以充分利用其容量。

四开关升降压DC/DC变换器的双向运行

图3显示了由ISL81601控制的四开关升降压变换器工作模式和波形。当输入电压低于输出电压时，它以升压模式运行，如图3C所示。当输入电压高于输出电压时，它以降压模式运行，如图3A所示。当输入电压接近输出电压时，它以升降压（一个降压周期，后跟一个升压周期）模式运行，如图3B所示。


图3. 4开关升降压转换器工作模式和波形

在这三个工作模式中均可实施双向运行。该变换器对正向和反向控制保持相同的PWM调制算法。电感器电流在正向功率转换时为正，在反向功率转换时为负。Rs_in和Rs_out用于检测输入和输出电流。通过控制器中的电流检测运算放大器设置适当的偏移，ISL81601便可检测和控制输入与输出端的正负电流。这对于双向DC/DC变换器的可靠工作至关重要。

在双向DC/DC变换器中，需要控制输入/输出电压和电流。ISL81601集成了四个控制环路来调节输入电压、输出电压、输入电流和输出电流，如图4所示。Gm1检测并调节正向输出电压，以实施恒定电压(CV)输出运行。A2通过Rs_out检测输出电流。平均输出电流与IMON_OUT引脚上的电压成正比。Gm4调节平均输出电流，以在正方向实施恒定电流(CC)输出运行。A1和Gm3用于检测和调节正方向的平均输入电流(lin)。Gm2检测和调节反方向运行的输入电压。

四个平均控制环路使用逻辑运算符OR联结在一起。最低的Gm输出用于实现控制。然后由OR联结的环路控制架构自动即时实施CV CC操作转换和反向转换。

在图2B所示的超级电容器DC备用系统中，图4所示的DC/DC变换器输入VIN连接到12V总线，输出VOUT连接到超级电容器组。在其功率变换的正方向，当AC线路和12V总线可用时，变换器对超级电容器进行充电。当VOUT低于Gm1电压环路的设定点时，电容器在CC模式中充电，并由图4所示的A2/Gm4环路控制。当电容器VOUT充电至Gm1电压环路设定点时，VOUT会稳定并保持在该设定点处。转换器在CV模式中运行，以将电容器保持在满充电状态。在正方向，ISL81601提供逐脉冲峰值电感器限流保护，确保在瞬态短路情况下可靠地运行。另外还提供第二级峰值电流保护，以在输出完全短路的情况下关闭变换器。


图4. 输入电压、输入电流、输出电压和输出电流控制环路

当AC线路如图2B所示断电时，AC/DC变换器将停止向12V总线供电，并且12V总线电压(VIN)被负载拉低。当VIN降至低于FB_IN=0.8V定义的设定点时，Gm2接管控制以拉低COMP引脚。这会降低PWM占空比，且电感器电流由正减为负。变换器会即时反转功率转换方向，对超级电容器放电并向12V总线上的负载供电，将VIN电压稳定在设定点处。

即时反向操作和升降压模式转换如图5中的波形所示。为了显示操作细节，VIN初始电压设定为18V，VIN Gm3调节设定为9V，VOUT Gm1调节设定为12V。移走VIN电源时（类似于失去图2B中所示的AC供电），VIN上的电容器继续在功率转换正方向放电以对超级电容器充电。在VIN从18V降至9V时，转换器以降压、升降压和升压模式运行以保持调节VOUT。ISL81601内在逻辑确保两个方向上均能在降压、升压和升降压模式之间自动顺畅地转换。

当VIN降至9V时，Gm2环路切入负责将VIN调节在9V 。电感器电流下降到负值以反转功率转换方向，超级电容器放电以向VIN上的负载供电，反方向运行即时自动实现。要限制VIN下降的超调，Gm2环路宽带应当足够快，以确保能够快速切入备用电源，这可以通过在VIN反馈分压电阻器的与VIN连接的电阻上并联一个电容器来实现。


图5. 在线反向运行波形

在反向运行过程中，超级电容器放电使VOUT降低。在VOUT下降期间，变换器以反向降压、升降压和升压模式运行，以持续保持调节VIN，直到VOUT减至接近0V。超级电容器中储存的能量得到充分利用。

借助ISL81601，可逐脉冲限制峰值负电感器电流，确保反向运行安全。

电池组充电/放电双向运行系统中的CC/CV控制

在电池组充电/放电双向DC/DC转换器中，如图2A所示，两个方向都需要进行CC/CV控制。图6显示了电池组DC/DC变换器的功能框图。电池组连接到DC/DC变换器的VIN端。在电池放电正方向，VOUT CV控制由Gm1实现，Iout CC控制由A2和Gm4实现。

在反向电池充电操作时，也可通过向ISL81601控制器添加两个运算放大器A3和A4电路来实施CC和CV充电控制；请参见图6。
为电池充电时， DC充电电源连接到VOUT端子上。当DC电源电压高于由0.8V参考电压和FB_OUT引脚电阻分压器定义的Gm1环路VOUT调节设定点时，升降压变换器会自动从DC电源汲取电流以对VIN端的电池充电。此操作控制环路通过降低COMP引脚电压，进而降低PWM占空比实现。电感器电流降至负值，随后变换器反转功率转换方向。

当Rs_in中为负电流时，IMON_IN引脚电压会降至低于EQ.1定义的偏置点Vimon_in_offset。


图6.电池充电/放电CC/CV控制

Vimon_in_offset = Ics_offset x Rimon_in                                                                                EQ.1

其中：

Ics_offset是电流检测放大器A1的偏置电流；ISL81601数据手册中显示的典型值为20uA。
Rimon_in是连接到IMON_IN引脚的电阻器。

如图6中所示，当IMON_IN引脚电压降至低于0.8V Gm1参考电压时，A4开始拉低FB_OUT。COMP引脚电压上升。因此，PWM占空比升高。电感器负电流降低。负电池充电电流被调节稳定以实现CC充电。恒定充电电流设定点Icc_in由EQ.2定义。

Icc_in = (Ics_offset – 0.8/Rimon_in)/Gm_a1/Rs_in                                                               EQ.2

其中：

Gm_a1是电流检测放大器A1的增益；ISL81601数据手册中显示的典型值为200uS。Rs_in是输入电流检测电阻。

当电池充电至VIN分压器Rin1/Rin2输出高于VREF时，A3开始拉低FB_OUT。和CC控制一样，COMP引脚电压上升，PWM占空比升高，电感器负电流（即电池充电电流）减至0A，或减至正放电值。电池电压被调节稳定以实现恒定电压充电。恒定电压设定点Vcv_in由EQ. 3定义。

Vcv_in = (Rin1 + Rin2) x VREF/Rin2                                                                                                            EQ.3

电池充满电时，移走DC电源。电池组可在CC或CV模式（由Gm4或Gm1控制）中向任何负载供电。

在汽车或任何其他电机驱动应用中，ISL81601双向DC/DC控制器会在电机制动状态下自动在线实施对电池的瞬时能量反馈。峰值浪涌制动电流由Rs_out和电流检测放大器A2实现的ISL81601逐脉冲峰值负电流限制功能来加以限制。长期制动电流限制为恒定电池充电电流环路设定点Icc_in。快速峰值且精确的恒定限流与由电池CV控制环路实施的电池最大充电电压限制相结合，可确保系统安全运行。

在图6中，FB_IN接地以禁用Gm2功能。通过经由电阻分压器向FB_IN引脚馈入VIN信号，Gm2实际上可以在这种电池组应用中用来保护电池不会过度放电。如果电池过度放电，Gm2将降低COMP引脚电压以阻止电池进一步放电。

图7显示了电池充放电运行波形。在T1移走DC电源时，电池开始放电以即时向负载输出功率。在T2重新连接DC电源时，DC/DC转换器即时改变方向来为电池充电。当电压低于VIN调节设定点时，电池在CC模式中充电，而当电压达到设定点时，电池在CV模式中充电。


图7.电池充电/放电运行波形

结论

瑞萨电子ISL81601是高度集成的、全功能的双向升降压PWM控制器。该器件具有独特的系统架构，因此能够在四开关升降压。

DC/DC转换器中在正反两个方向轻松控制输出和输入端的电压和电流。这种功能提供了一种简单可靠的在线双向DC/DC功率转换解决方案。它还为需要各种储能设备应用解决方案的客户提供了高度的灵活性。