芯文芯事丨基于RH850/P1x的雙向DC-DC變換器設計
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(BidirectionalDC-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。
圖1BDC拓撲結構
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。
圖26相BDC拓撲結構
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。
RH850/P1x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PSI5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EVITAMedium級別的安全要求。RH850/P1x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。
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。
圖36相12路移相互補PWM波形圖
圖4BDC系統框圖
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、TAUD0、TAUD1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。
圖5HSP-PWM工作時序圖
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。
圖6A/D觸發設置框圖
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：
TSG30DCMP0E:1st phase
TSG30DCMP1E:2nd phase
INTTAUD0I7:3rd phase
TSG30DCMP0E:4th phase
TSG30DCMP1E:5th phase
INTTAUD1I7:6th phase
由于RH850/P1x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76相移相互補PWM波形圖
圖7是6相移相互補PWM輸出時，其中H1、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，H1和L1通道之間包含死區時間。
圖86相移相互補PWM電流采樣點
圖8是6相移相互補PWM輸出時，其中H1、H2、H3和電流采樣點的波形圖，可以看到H1、H2、H3通道之間保持移相，在H1和H2高電平中間點觸發A/D采樣。
圖9DMAC傳輸完成時序圖
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。
本文分析了BDC基本原理，并基于瑞薩電子RH850/P1x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。
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