電子信號鏈

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        借助實時微控制器優(yōu)化可再生能源和工業(yè)系統(tǒng)的功率效率和功率密度

        [ 熱門新聞 ] 2023-09-18 10:08:22
        電力電子產(chǎn)品設計人員致力于提升工業(yè)和汽車系統(tǒng)的功率效率和功率密度,這些設計涵蓋多軸驅(qū)動器、太陽能、儲能、電動汽車充電站和電動汽車車載充電器等。

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        這些系統(tǒng)的主要設計挑戰(zhàn)之一是在降低系統(tǒng)成本的同時,實現(xiàn)更出色的實時控制性能。要應對這一挑戰(zhàn),常用的方法是使用擁有超低延遲控制環(huán)路處理功能的模擬和控制外設的高度集成的微控制器?(MCU)?。

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        實時控制性能:延遲是關鍵

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        在深入應用實例之前,先讓我們簡要看下“延遲”。在多軸驅(qū)動器、機器人、具有儲能系統(tǒng)的光伏逆變器、電動汽車充電站和電動汽車中,控制性能與?MCU?對信號進行采樣、處理和控制的速度直接相關。圖?1?展示了實時信號鏈和信號延遲之間的關系,信號延遲指從模數(shù)轉(zhuǎn)換器?(ADC)?測量信號,到?CPU?處理信息,以及脈寬調(diào)制器?(PWM)?控制功率的時間。這個時間需要盡可能小,才能實現(xiàn)超低延遲控制環(huán)路處理。

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        ?1:實時性能和延遲的概念

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        對于數(shù)字電源來說,實現(xiàn)較高的功率密度意味著要將?DC/DC?的開關頻率從?50kHz?提高到?100kHz、500kHz?或更高。如果您使用的?MCU??100MHz?運行并且穩(wěn)壓環(huán)路同步到?PWM?頻率,在?10kHz?時,PWM?中斷之間的可用?CPU?周期數(shù)為?10,000,而在?100kHz?時會降為?1,000。隨著頻率上升,可用于檢測流程控制的時間縮短,因此您需要優(yōu)化?MCU?架構(gòu),以便在實時信號鏈中盡量節(jié)省每個周期的時間。

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        在光伏逆變器和儲能系統(tǒng)中實現(xiàn)下一代電源

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        如圖?2?所示,光伏逆變器市場不斷發(fā)展,出現(xiàn)了集成儲能系統(tǒng)的混合逆變器,帶來了控制雙向能量轉(zhuǎn)換的挑戰(zhàn)。單芯片架構(gòu)需要使用具有許多高分辨率?PWM?通道和額外高帶寬?ADC?輸入的?MCU,例如?TMS320F28P650DK C2000Tm?32??MCU。

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        ?2:集成了儲能系統(tǒng)的光伏逆變器架構(gòu)

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        為滿足許多應用中對可再生能源不斷增長的需求,光伏逆變器需要更高的功率效率和更好的總諧波失真性能。一種方法是使用更新的多相多級逆變器電源架構(gòu)。這類架構(gòu)通常通過一組復雜的電源算法和額外的外部邏輯(例如復雜的可編程邏輯器件或現(xiàn)場可編程門陣列)來實現(xiàn),以便使用正確的序列安全地打開和關閉電源開關。這種方法會增加布板空間和系統(tǒng)成本。

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        能在不同?PWM?模塊中支持板載定制、最小死區(qū)和非法組合邏輯(用于防止破壞性上電/斷電序列的?MCU?特性)的?MCU?可讓設計人員在降低成本的同時,減少或甚至移除外部邏輯,從而進一步簡化設計。

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        此外,務必將?PWM?單元和集成的模擬窗口比較器進行緊密耦合,以便為電源轉(zhuǎn)換器提供過流和過壓保護。基于電源拓撲,您要選擇的?MCU?可能需要搭載能夠?qū)崿F(xiàn)對諧振模式轉(zhuǎn)換器峰值電流和谷值電流模式控制的?PWM?單元。

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        在電動汽車車載充電器中實現(xiàn)更輕松、更快速的集成

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        隨著全球電動汽車數(shù)量的增長,設計人員需要找到新的解決方案,以便使車載充電器進一步集成并降低其成本。典型的實現(xiàn)方案為兩個彼此隔離的?MCU,一個用于車載充電器功率因數(shù)校正,另一個用于車載充電器?DC/DC。

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        盡管采用單個?MCU?會增加將信號發(fā)送回?MCU?所需的隔離器件,但其增加的成本可與減少元件數(shù)量節(jié)省的成本相抵,包括減少?CAN?收發(fā)器、穩(wěn)壓器、電源管理集成電路、運算放大器以及實現(xiàn)返回主機?MCU?通信所需的隔離。

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        ?3?展示了單個?MCU?控制高達?22kW?的三相車載充電器功率級拓撲。PFC?級是兩相交錯式圖騰柱,而?DC/DC?級是雙電容-電感-電感-電感-電容?(CLLLC),可減小變壓器尺寸和場效應晶體管的電流等級。

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        ?3:由單個?MCU?控制的三相電動汽車車載充電器(PFC??DC/DC

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        確定所需的最少?MCU?硬件資源(PWMADC、比較器)后,您可能還希望在降低?CPU?開銷的同時,實現(xiàn)更多的軟件集成。由于集成可以實現(xiàn)對單個器件上更多信號的采樣,選擇的?MCU?如包含內(nèi)置基于硬件的過采樣和偏移量校準功能的?ADC,可簡化軟件設計,從而使?MCU?具有更高的周期效率,并能夠更快運行控制環(huán)路。

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        另一個挑戰(zhàn)是對具有不同實時限制的多個任務進行軟件集成:PFC、DC/DC?以及輔助控制和安全性需要共存,這讓軟件開發(fā)變得更加復雜。

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        從單核?MCU?轉(zhuǎn)向多核?MCU?架構(gòu)并在?MCU?內(nèi)核之間分配存儲器、PWM?和模擬資源,可幫助實現(xiàn)向多個內(nèi)核分配不同的控制環(huán)路頻率,例如,一個內(nèi)核用于控制?PFC,另一個用于運行兩個?CLLLC。每個內(nèi)核以不同的獨立頻率運行控制環(huán)路:圖騰柱通常為固定頻率,但車載充電器的直流/直流電源轉(zhuǎn)換級(圖?3)不斷變化。使用多核架構(gòu)還有助于實現(xiàn)更可靠、更精密的過流和過壓保護(因為可以針對每個內(nèi)核優(yōu)化每個控制環(huán)路),無需外部監(jiān)控元件,還可以降低成本。

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        電動汽車將在數(shù)分鐘內(nèi)充滿電,每個家庭都將使用光伏和儲能系統(tǒng),工廠將使用更多高效的機器人并實現(xiàn)能源足跡更少的自動化……實時控制?MCU?的創(chuàng)新將為實現(xiàn)更清潔、更安全、更高效的世界鋪平道路。

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