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问答
双向AC/DC变换拓扑储能应用 Totem-Pole PFC
来源:Arrow 发布:2022/05/16 浏览量:1549
储能 光伏
方案介绍

艾睿基于ST高性能MCU STM32G474、ST SiC产品推出双向Totem-Pole PFC 及CLLLC两级拓扑储能应用的解决方案。可以帮助客户了解及学习这两级拓扑的特点,性能和控制,直观评估各主要元器件性能。从而加快客户开发产品的时间。

在国内落实“双碳”目标的重要背景下,我国能源结构调整与新型电力系统建设势在必行。随着源,网,荷,储一体化深度协调互动,灵活的能源电力系统新模式将日渐显现。这一进程将催生大量储能应用场景与装配需求,储能将扮演不可替代的关键角色,在电力系统中的应用全面开花。

 

锂电池储能是主流,电力电子变换器需求增长

 

 

储能类型多样化,目前进入商业化主要有电池储能与蓄水储能。过去几年中,由于新能源汽车产业的快速发展,带动了锂电池产业链的成熟,锂电池价格下降较快,锂电池成本以每年20%-30%的速度在降低。这一趋势促进锂电池在储能的应用场景和商业模式在不断拓展,同样也带来电力电子变换器的需求增长。

 

Arrow储能(ESS)项目方案

 

艾睿基于ST高性能MCU STM32G474、ST SiC产品推出双向Totem-Pole PFC 及CLLLC两级拓扑储能应用的解决方案。可以帮助客户了解及学习这两级拓扑的特点,性能和控制,直观评估各主要元器件性能。从而加快客户开发产品的时间。Arrow ESS 方案两级拓扑分为两块板,Totem-Pole PFC和CLLLC,两块板可以单独工作和级联工作,能够适合不同客户需求。本文只针对Totem-Pole PFC进行介绍。

 

ESS系统框图

 

 

Totem-pole PFC框图

 

在设计研发过程中,图腾柱PFC所使用的组件数量是目前已知的PFC拓扑中最少的,同时还具有最低传导损耗、最高效率等优点,图腾柱PFC引起了人们越来越多的关注,  是目前双向AC/DC变换优先选择。

 

Arrow TTPL PFC 解决方案

 

PCBA

 

Core Chip

  1. MCU control: ST STM32G474VBT6

  2. SiC MOS: ST SCTWA60N120G2-4

  3. solated gate driver: ST STGAP2SiCS

  4. Isolated DC-DC module: ST A6986I,  VIPER329HDTR

  5. CAN: ST L9616

  6. ESD protection: ST HDMIULC6-4SC6Y / ST ESDCAN03-2BWY

  7. Hi-Precision OP-AMP: ST TSZ181IYLT

  8. Current sensor: Allegro ACS772LCB-050B-PFF-T, ACS772LCB-100B-PFF-T

  9. Relay: TE T9VV1K15-12S

  10. Resonant Capacitive Tank: muRata GCM43D7U3A472JX01L

  11. Electrolytic Capacitor: KEMET F861DP155K310ZLH0J, R463W510050M1K, EDH477M025A9PAA, C4AEOBU4500A11J

 

设计规格

 

AC-DC 整流模式(Charging Mode)软件实现

 

PWM 时序

如图 6 及图 7,TTPL-PFC 功率流动分 4 个阶段,Q1,Q2 为高速管,开关频率为133K, SD1,SD2 为低速管,开关频率为市电频率。低速管可以用普通 MOS 管。

市电正半周(图6)

 

市电负半周(图7)

 

正半周(负半周与正半周类似)在一个开关周期内PWM与VDS开关时序(如图8):

 

  1. T0-T1, Q2 PWM 开始关闭,Q1 PWM 末打开(关闭),高速桥 PWM 进入死区区间,低速管 SD1 维持正半周持续导通,SD2 关闭。在此 T0-T1 时间断,电流继续经 Q2 体二极管及 SD1 正向流动,所以虽然 Q2 PWM 已关闭,但 Q2,Vds 仍然保持 0。

  2. T1-T2, Q1 PWM 开启,Q2 PWM 继续关闭,由于线路信号延迟,Q1 在 T2 时刻导通(Q1_Vds=0),电流转由 Q1 级SD1 正向流动。在 T2时刻,Q1 导通的同时Q2 关闭(Vds=0)。

  3. T2-T3, Q1 PWM 开启,Q2 PWM 关闭, 电流正向流动,PFC 电感储能。

  4. T3-T4, Q1 PWM 关闭,Q2 PWM 关闭, 高速桥 PWM 进入死区区间, 由于线路信号延迟, Q1 在 T4 时刻关断,在此同时 Q2 由于 Q1 的关断而体二极管导通,电流由 Q1 转为 Q2 经 SD1 正向流动。

  5. T4-T5, Q1 PWM 关闭,Q2 PWM 打开,T5 时 Q2 零电压导通,所以在图上看到 Q2 在Q2 PWM 开启前就已经导通。

  6. T5-T0, Q1 PWM 关闭,Q2 PWM 打开, 电流 Q2 及 SD1 正向流动。

图8

 

市电过零时尖峰软件处理—PWM soft start/end

 

由于 Totem-pole 高频桥的两管子的 PWM 互补输出,在市电过 0 时,两个开关功能将在正半周进入负半周或负半周进入正半周时互换,占空比也随之由原先的 0%跳变到 100%,或者 100%跳变到 0%,这种跳变造成过 0 时的电流尖峰。为了减少过 0 时的电流尖峰,软件在过 0 时对 PWM 进行 Soft start/end 处理。如图9。

图9

 

TTPL-PFC 控制器

 

TTPL-PFC 控制有两个目标,一是稳定 PFC 的 DC 输出电压,另一个是控制输入的市电电流。为了减少设备对电网的谐波干扰及减少设备的无功功率提高使用效率,功率因数接近 1是最为理想。这就要求对输入电流波形和相位进行控制,使输入电流与输入电压相位同步,这由软件锁相环来实现,控制输入电流波形及稳定 DC 输出电压由软件双闭环来实现。

 

  • 增强型锁相环-EPLL EPLL 相对普通二阶广义积分锁相环 SOGI-PLL,有不带倍频纹波及THD 比较小,能快速跟踪市电变化的优势,缺点是占用 CPU 资源相对多。

  • 双环控制 : 电压外环以及电流内环并且 3,5,7,11谐波注入方法来实现谐波滤波,用来减少输入电流的THD。

TTPL-PFC 仿真

仿真结果显示电流过0处存在尖峰,这是因为仿真中没有对PWM在市电过零时做soft start/end处理,所以结果显示存在尖峰。

 

TTPL-PFC实验测试结果

图12

 

输入AC220V,50Hz,输出 450V负载3000W波形(CH3 AC电流,CH4 电感电流)

图13

 

输入AC220V,50Hz,输出 450V负载6700W时波形。(CH4 AC电流)

图14

 

满载时记录的功率分析仪数据

图15

 

6.6kW Totem-pole PFC AC-DC测试结果

图16

 

6.6kW Totem-pole PFC AC-DC效率曲线

图17

 

DC-AC逆变模式(Discharging Mode)

 

图腾PFC反向工作时作为H桥全桥逆变拓扑,可以应用在并网逆变以及离网逆变。

其脉宽调制方法常用SPWM,SPWM产生分三种类型,单极性SPWM,双极性SPWM,以及单极倍频SPWM。本方案采用的是单极性SPWM,相对双极性SPWM THD会更好,但缺点也是与PFC一样,存在过零尖峰问题。减少尖峰的问题也是采用同样的过零soft start/end方法。

 

PWM时序

 

如图19及图20,H桥逆变功率流动分4个阶段,Q1,Q2为高速管,开关频率为133K, Q3,Q4为低速管,开关频率为市电频率。低速管可以用普通MOS管。

交流输出正半周(图19)

交流输出负半周(图20)

 

正半周(负半周与正半周类似)在一个开关周期内PWM开关时序与PFC整流时相似,请参考AC-DC章节中相关描述。

 

逆变控制器

 

逆变器按应用场景可分离网式逆变器及并网式逆变器,两者在软件控制上存在明显差别,测重点也是不同。并网逆变控制更像是PFC 整流器的反向控制,与整流一样需要锁相环实现电压电流相位同步,离网逆变控制更测重适应不同负载的带载能力,控制对像也有差别,并网逆变器控制并网电流,离网控制输出电压。

 

1)并网逆变器控制   锁相环与PFC整流过程软件实现相同,请参考PFC章节介绍。控制器设计仅采用电流环以及谐波注入进行并网电流控制。

图21

 

2)离网逆变控制器  逆变器以稳定的输出电压及频率向不同负载供电.  

图22

 

离网逆变仿真

图23

 

仿真满载投载结果。(上图为逆变输出电压,下图为输出电流)

图24

 

逆变实验测试结果

220VAC输出,No Load.(Red:Vac, Bule:电感电流,绿:输出电流)

图25

 

220VAC输出,Full Load(Red:Vac, Bule:电感电流,绿:输出电流)

图26

 

220Vac输出,满载时效率98.8%

图27

 

效率曲线

图28

 

设计要点及难点

 

  1. 市电过零处尖峰处理

  2. 相位补偿

  3. THD的改善

  4. 控制器参数调整

  5. 采样信号处理

  6. 轻载控制

  7. CBC限流

  8. 离网逆变带载能力

 

结论

 

艾睿累积了STM32G474在数字开关电源应用及双向TTPL-PFC 的应用经验,可提供TTPL-PFC系统方案的硬件和软件支持,解决技术难点,分享PCB 设计和调试技巧,务求加快客户开发产品的时间。如有查询,欢迎联络。

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