艾睿推CLLLC兩級拓撲儲能應用解決方案

在國內落實“雙碳”目標的重要背景下，我國能源結構調整與新型電力系統(tǒng)建設勢在必行。隨著源，網，荷，儲一體化深度協(xié)調互動，靈活的能源電力系統(tǒng)新模式將日漸顯現。這一進程將催生大量儲能應用場景與裝配需求，儲能將扮演不可替代的關鍵角色，在電力系統(tǒng)中的應用全面開花。

鋰電池儲能是主流，電力電子變換器需求增長

儲能類型多樣化，目前進入商業(yè)化主要有電池儲能與蓄水儲能。過去幾年中，由于新能源汽車產業(yè)的快速發(fā)展，帶動了鋰電池產業(yè)鏈的成熟，鋰電池價格下降較快，鋰電池成本以每年20%-30%的速度在降低。這一趨勢促進鋰電池在儲能的應用場景和商業(yè)模式在不斷拓展，同樣也帶來電力電子變換器的需求增長。

Arrow儲能（ESS）項目方案

艾?；赟T高性能MCU STM32G474、ST SiC產品推出雙向Totem-Pole PFC 及CLLLC兩級拓撲儲能應用的解決方案?？梢詭椭蛻袅私饧皩W習這兩級拓撲的特點，性能和控制，直觀評估各主要元器件性能。從而加快客戶開發(fā)產品的時間。Arrow ESS 方案兩級拓撲分為兩塊板，Totem-Pole PFC和CLLLC，兩塊板可以單獨工作和級聯工作，能夠適合不同客戶需求。本文只針對Totem-Pole PFC進行介紹，CLLLC部分介紹請參考--《儲能應用之DC/DC雙向拓撲 CLLLC》。

ESS系統(tǒng)框圖

Totem-pole PFC框圖

在設計研發(fā)過程中，圖騰柱PFC所使用的組件數量是目前已知的PFC拓撲中最少的，同時還具有最低傳導損耗、最高效率等優(yōu)點，圖騰柱PFC引起了人們越來越多的關注， 是目前雙向AC/DC變換優(yōu)先選擇。

Arrow TTPL PFC 解決方案

PCBA

Core Chip

MCU control： ST STM32G474VBT6

SiC MOS： ST SCTWA60N120G2-4

solated gate driver： ST STGAP2SiCS

Isolated DC-DC module： ST A6986I， VIPER329HDTR

CAN： ST L9616

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

Hi-Precision OP-AMP： ST TSZ181IYLT

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

Relay： TE T9VV1K15-12S

Resonant Capacitive Tank： muRata GCM43D7U3A472JX01L

Electrolytic Capacitor： KEMET F861DP155K310ZLH0J， R463W510050M1K， EDH477M025A9PAA， C4AEOBU4500A11J

設計規(guī)格

AC-DC 整流模式（Charging Mode）軟件實現

PWM 時序

如圖 6 及圖 7，TTPL-PFC 功率流動分 4 個階段，Q1，Q2 為高速管，開關頻率為133K， SD1，SD2 為低速管，開關頻率為市電頻率。低速管可以用普通 MOS 管。

市電正半周（圖6）

市電負半周（圖7）

正半周（負半周與正半周類似）在一個開關周期內PWM與VDS開關時序（如圖8）：

T0-T1， Q2 PWM 開始關閉，Q1 PWM 末打開（關閉），高速橋 PWM 進入死區(qū)區(qū)間，低速管 SD1 維持正半周持續(xù)導通，SD2 關閉。在此 T0-T1 時間斷，電流繼續(xù)經 Q2 體二極管及 SD1 正向流動，所以雖然 Q2 PWM 已關閉，但 Q2，Vds 仍然保持 0。

T1-T2， Q1 PWM 開啟，Q2 PWM 繼續(xù)關閉，由于線路信號延遲，Q1 在 T2 時刻導通（Q1_Vds=0），電流轉由 Q1 級SD1 正向流動。在 T2時刻，Q1 導通的同時Q2 關閉（Vds=0）。

T2-T3， Q1 PWM 開啟，Q2 PWM 關閉， 電流正向流動，PFC 電感儲能。

T3-T4， Q1 PWM 關閉，Q2 PWM 關閉， 高速橋 PWM 進入死區(qū)區(qū)間， 由于線路信號延遲， Q1 在 T4 時刻關斷，在此同時 Q2 由于 Q1 的關斷而體二極管導通，電流由 Q1 轉為 Q2 經 SD1 正向流動。

T4-T5， Q1 PWM 關閉，Q2 PWM 打開，T5 時 Q2 零電壓導通，所以在圖上看到 Q2 在Q2 PWM 開啟前就已經導通。

T5-T0， Q1 PWM 關閉，Q2 PWM 打開， 電流 Q2 及 SD1 正向流動。

圖8

市電過零時尖峰軟件處理—PWM soft start/end

由于 Totem-pole 高頻橋的兩管子的 PWM 互補輸出，在市電過 0 時，兩個開關功能將在正半周進入負半周或負半周進入正半周時互換，占空比也隨之由原先的 0%跳變到 100%，或者 100%跳變到 0%，這種跳變造成過 0 時的電流尖峰。為了減少過 0 時的電流尖峰，軟件在過 0 時對 PWM 進行 Soft start/end 處理。如圖9。

圖9

TTPL-PFC 控制器

TTPL-PFC 控制有兩個目標，一是穩(wěn)定 PFC 的 DC 輸出電壓，另一個是控制輸入的市電電流。為了減少設備對電網的諧波干擾及減少設備的無功功率提高使用效率，功率因數接近 1是最為理想。這就要求對輸入電流波形和相位進行控制，使輸入電流與輸入電壓相位同步，這由軟件鎖相環(huán)來實現，控制輸入電流波形及穩(wěn)定 DC 輸出電壓由軟件雙閉環(huán)來實現。

增強型鎖相環(huán)-EPLL EPLL 相對普通二階廣義積分鎖相環(huán) SOGI-PLL，有不帶倍頻紋波及THD 比較小，能快速跟蹤市電變化的優(yōu)勢，缺點是占用 CPU 資源相對多。

雙環(huán)控制 ： 電壓外環(huán)以及電流內環(huán)并且 3，5，7，11諧波注入方法來實現諧波濾波，用來減少輸入電流的THD。

TTPL-PFC 仿真

仿真結果顯示電流過0處存在尖峰，這是因為仿真中沒有對PWM在市電過零時做soft start/end處理，所以結果顯示存在尖峰。

TTPL-PFC實驗測試結果

輸入AC220V，50Hz，輸出 450V負載3000W波形（CH3 AC電流，CH4 電感電流）

圖13

輸入AC220V，50Hz，輸出 450V負載6700W時波形。（CH4 AC電流）

圖14

滿載時記錄的功率分析儀數據

圖15

6.6kW Totem-pole PFC AC-DC測試結果

圖16

6.6kW Totem-pole PFC AC-DC效率曲線

圖17

DC-AC逆變模式（Discharging Mode）

圖騰PFC反向工作時作為H橋全橋逆變拓撲，可以應用在并網逆變以及離網逆變。

其脈寬調制方法常用SPWM，SPWM產生分三種類型，單極性SPWM，雙極性SPWM，以及單極倍頻SPWM。本方案采用的是單極性SPWM，相對雙極性SPWM THD會更好，但缺點也是與PFC一樣，存在過零尖峰問題。減少尖峰的問題也是采用同樣的過零soft start/end方法。

PWM時序

如圖19及圖20，H橋逆變功率流動分4個階段，Q1，Q2為高速管，開關頻率為133K， Q3，Q4為低速管，開關頻率為市電頻率。低速管可以用普通MOS管。

交流輸出正半周（圖19）

交流輸出負半周（圖20）

正半周（負半周與正半周類似）在一個開關周期內PWM開關時序與PFC整流時相似，請參考AC-DC章節(jié)中相關描述。

逆變控制器

逆變器按應用場景可分離網式逆變器及并網式逆變器，兩者在軟件控制上存在明顯差別，測重點也是不同。并網逆變控制更像是PFC 整流器的反向控制，與整流一樣需要鎖相環(huán)實現電壓電流相位同步，離網逆變控制更測重適應不同負載的帶載能力，控制對像也有差別，并網逆變器控制并網電流，離網控制輸出電壓。

1）并網逆變器控制 鎖相環(huán)與PFC整流過程軟件實現相同，請參考PFC章節(jié)介紹。控制器設計僅采用電流環(huán)以及諧波注入進行并網電流控制。

圖21

2）離網逆變控制器 逆變器以穩(wěn)定的輸出電壓及頻率向不同負載供電。

圖22

離網逆變仿真

圖23

仿真滿載投載結果。（上圖為逆變輸出電壓，下圖為輸出電流）

圖24

逆變實驗測試結果

220VAC輸出，No Load.（Red:Vac， Bule：電感電流，綠：輸出電流）

圖25

220VAC輸出，Full Load（Red:Vac， Bule：電感電流，綠：輸出電流）

圖26

220Vac輸出，滿載時效率98.8%

圖27

效率曲線

圖28

設計要點及難點

市電過零處尖峰處理

相位補償

THD的改善

控制器參數調整

采樣信號處理

輕載控制

CBC限流

離網逆變帶載能力

結論

艾睿累積了STM32G474在數字開關電源應用及雙向TTPL-PFC 的應用經驗，可提供TTPL-PFC系統(tǒng)方案的硬件和軟件支持，解決技術難點，分享PCB 設計和調試技巧，務求加快客戶開發(fā)產品的時間。