芯文芯事丨基于RH850/P1x的双向DC-DC变换器设计

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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1 BDC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2 6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。

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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。

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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3 6相12路移相互补PWM波形图

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BDC设计

图4 BDC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5 HSP-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6 A/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

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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7 6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8 6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9 DMAC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。

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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。

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原文标题：芯文芯事丨基于RH850/P1x的双向DC-DC变换器设计

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