基于RH850/P1X的雙向DC-DC變換器設計

周振齊

進入21世紀，隨著環境污染、溫室效應、石油危機等問題的日益突出，電動汽車發展迅速。電動汽車使用電池替代傳統的燃油作為車載能源，在現有的技術條件下，動力電池的性能仍然是電動汽車發展的主要瓶頸。使用BDC（Bidirectional DC-DC，雙向DC-DC）變換器可以優化電機控制，提高電池的性能和整車的效率。

對于電機驅動操作，BDC轉換器升壓級用于升高電池電壓并控制逆變器輸入。車輛再生制動通過轉換器降壓級來完成，該降壓級為制動電流提供路徑，將回收的能量給電池充電。

基本的非隔離BDC變換器拓撲是升壓級和反并聯連接的降壓級的組合，其拓撲結構如圖1所示。

為了提高功率密度，在高功率密度BDC變換器應用中發明了更小電感的多相電流交錯技術，其具有較小的器件電流應力和更高效率的優點。圖2所示是6相非隔離BDC轉換器拓撲，相開關為60度相移控制，總電流紋波將變得相對較小，因此使用小電容在低壓側和高壓側都可承受電壓紋波。

1.RH850/P1x簡介

RH850/Plx系列是采用全球領先40nm工藝設計的汽車32位MCU，具有超低功耗、高性能、高可靠性等特點;集成了電機定時器TSG3/GTM、CAN/CAN-FD、FlexRay、Ethernet、CSIH/SPI、SENT和PSl5等外設模塊和通信接口;采用鎖步雙核系統（Lockstep），集成錯誤檢查和校正（ECC）功能，具有故障檢測功能和內置自檢（BIsT）功能，錯誤控制模塊（ECM）允許用戶根據具體情況管理各功能發出的錯誤信號輸入，進而幫助保持系統安全性和可靠性。達到車載系統功能安全國際標準ISO26262的最高安全級別AsIL-D;在防止黑客和病毒攻擊的車載網絡安全方面，實現了相當于EVITA Medium級別的安全要求。RH850/Plx系列具有完整的工具鏈生態環境，支持基于模型設計和AutoSAR開發。

2.BDC技術要求

本文主要關注BDC實現中的關鍵控制問題：移相PWM的產生和控制，以及相電流自動采樣和自動傳輸實現機制。下面是能輸出最高6相12路移相互補PWM的BDC技術要求樣例：

最大輸出6相移相PWM，每相有2路互補PWM通道組成;

PWM相的數量可以設定，對應的相位移可以設定;

未使用或緊急狀況下，PWM管腳可以設為高阻抗模式;

PWM頻率：100KHz或周期：10us;

每相PWM的占空比可以獨立設定;

在每相高電平的中間點觸發電流采樣;

電流限值報警功能;

完成10次電流、電壓等采樣，自動傳輸結果。

圖3是6相12路移相互補PWM波形實現示意圖。

3.BDC設計

圖4是使用RH850/P1M實現BDC的系統框圖。主要使用到RH850/P1M內部如下的模塊和功能：

A、TSG30和TSG31定時器模塊：產生6相12路移相互補PWM，每相PWM的占空比獨立可調;在上橋臂PWM高電平中間點觸發ADC采樣;

B、TAUD定時器：在上橋臂PWM高電平中間點觸發ADC采樣;

C、PIC1A內聯模塊：保持TSG30、TSG31、TAUDO、TAUDI定時器同步;

D、PIC2B內聯模塊：A/D觸發設定;

E、ADCD模塊：A/D采樣電流、電壓等模擬信號，觸發DMAC傳輸;

F、DMA模塊：自動傳輸A/D采樣結果到RAM。

為了產生BDC需要的移相PWM，將使用到TSG3模塊的HSP-PWM高精度移相PWM模式，圖5是單個TSG3x模塊的HSP-PWM工作模式的時序圖，單個TSG3x模塊可以產生3相移相互補PWM。

為了保證BDc控制的精度，通常會在每相的上橋臂PWM高電平中間點觸發A/D采樣，圖6是TSG3的A/D觸發設置框圖。

為了補充TSG3的A/D觸發點，使用TAUD定時器增加2個A/D觸發點，因此最多6個觸發點設置如下：

TSG30DCMPOE：Ist phase

TSG30DCMPlE：2nd phase

INTTAUD017：3rd phase

TSG30DCMPOE：4th phase

TSG30DCMPlE：5th phase

INTTAUDll7：6th phase

4.BDC實現結果

由于RH850/Plx內部集成了TSG3、ADC、DMAC、TAUD等硬件模塊，且模塊間可以通過PIC內部聯結模塊實現同步和相互觸發的功能，為BDC的實現提供了便利，并大大降低了CPU的負荷。

圖7是6相移相互補PWM輸出時，其中HI、H2、H3和L1通道的波形圖，可以看到H1、H2、H3通道之間保持移相，HI和U通道之間包含死區時間。

圖8是6相移相互補PWM輸出時，其中HI、H2、H3和電流采樣點的波形圖，可以看到HI、H2、H3通道之間保持移相，在HI和H2高電平中間點觸發A/D采樣。

圖9是DMAC完成傳輸A/D轉換結果的時序圖，在每10個PWM周期后完成自動搬運數據，滿足設計要求。

5.結語

本文分析了BDC基本原理，并基于瑞薩電子RH850/Plx開發了BDC的系統方案，重點闡述了BDC中移相互補PWM產生、控制，以及相電流自動采樣和自動傳輸等實現機制，實驗證明RH850/P1x非常適合BDC的應用。