隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，雙向數(shù)字功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)在電動(dòng)汽車充電、儲(chǔ)能系統(tǒng)和可再生能源應(yīng)用中變得越來(lái)越重要。雙有源橋（DAB, Dual Active Bridge）拓?fù)湟蚱涓咝省⒏吖β拭芏群挽`活的控制特性而成為實(shí)現(xiàn)雙向功率轉(zhuǎn)換的理想選擇。芯片代理商-中芯巨能將詳細(xì)介紹3.6kW雙向數(shù)字功率DAB系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并推薦所需的芯片。

DAB拓?fù)涓攀?/span>

雙有源橋（DAB）是一種隔離型DC-DC變換器，由兩個(gè)全橋電路通過(guò)高頻變壓器連接而成。DAB拓?fù)渚哂幸韵聝?yōu)點(diǎn)：

雙向功率流動(dòng)：可以實(shí)現(xiàn)能量從初級(jí)側(cè)到次級(jí)側(cè)或從次級(jí)側(cè)到初級(jí)側(cè)的雙向傳輸。

軟開關(guān)特性：通過(guò)適當(dāng)?shù)目刂撇呗裕梢詫?shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)（ZVS）和零電流開關(guān)（ZCS），從而減少開關(guān)損耗。

高效率：通過(guò)優(yōu)化控制算法和使用高性能半導(dǎo)體器件，可以實(shí)現(xiàn)非常高的轉(zhuǎn)換效率。

高功率密度：由于高頻工作，可以減小磁性元件的尺寸，提高系統(tǒng)的功率密度。

設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1. 拓?fù)溥x擇與參數(shù)設(shè)計(jì)

1.1 拓?fù)溥x擇

對(duì)于3.6kW的雙向數(shù)字功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，DAB拓?fù)涫且粋€(gè)理想的選擇。它可以通過(guò)適當(dāng)?shù)目刂撇呗詫?shí)現(xiàn)高效、可靠的雙向功率轉(zhuǎn)換。

1.2 參數(shù)設(shè)計(jì)

輸入/輸出電壓范圍：確定系統(tǒng)的輸入和輸出電壓范圍。例如，輸入電壓為400V DC，輸出電壓為48V DC。

頻率選擇：選擇合適的開關(guān)頻率。高頻可以減小磁性元件的尺寸，但也會(huì)增加開關(guān)損耗。通常選擇50kHz至200kHz之間的頻率。

變壓器設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)高頻變壓器，確保其能夠在高頻下高效工作。考慮漏感、磁芯材料和繞組結(jié)構(gòu)等因素。

電容設(shè)計(jì)：選擇合適的直流母線電容和濾波電容，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和低紋波。

2. 控制策略

2.1 基本控制方法

移相控制：通過(guò)調(diào)整初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)全橋的相位差來(lái)控制功率流動(dòng)方向和大小。這是DAB最常見的控制方法。

單移相控制：僅調(diào)整一個(gè)全橋的相位角，適用于輕載和中等負(fù)載條件。

雙重移相控制：同時(shí)調(diào)整兩個(gè)全橋的相位角，適用于重載條件，可以進(jìn)一步提高效率。

2.2 高級(jí)控制方法

模型預(yù)測(cè)控制（MPC）：通過(guò)預(yù)測(cè)未來(lái)的系統(tǒng)狀態(tài)并選擇最優(yōu)控制動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)更精確的控制。

自適應(yīng)控制：根據(jù)系統(tǒng)的工作狀態(tài)自動(dòng)調(diào)整控制參數(shù)，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性。

3. 電路設(shè)計(jì)

3.1 開關(guān)器件選擇

GaN FET：650V GaN FET具有高開關(guān)速度、低導(dǎo)通電阻和低柵極電荷，適合高頻應(yīng)用。推薦型號(hào)如EPC2045、GaN Systems GS66508B等。

SiC MOSFET：如果需要更高的耐壓能力，可以選擇SiC MOSFET。推薦型號(hào)如Infineon CoolSiC? IMZ120R045M1H。

3.2 驅(qū)動(dòng)電路

高速驅(qū)動(dòng)器：選擇能夠提供快速上升和下降時(shí)間的驅(qū)動(dòng)器，以確保開關(guān)器件的可靠工作。推薦型號(hào)如TI UCC27531、STMicroelectronics STGAP2S。

3.3 保護(hù)電路

過(guò)流保護(hù)：通過(guò)檢測(cè)電流并設(shè)置閾值來(lái)防止過(guò)流損壞開關(guān)器件。

過(guò)溫保護(hù)：通過(guò)溫度傳感器監(jiān)測(cè)開關(guān)器件和磁性元件的溫度，防止過(guò)熱。

欠壓/過(guò)壓保護(hù)：監(jiān)測(cè)輸入和輸出電壓，防止電壓異常導(dǎo)致系統(tǒng)損壞。

4. 軟件設(shè)計(jì)

4.1 控制算法實(shí)現(xiàn)

MCU選擇：選擇高性能MCU來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法。推薦瑞薩電子的RA6M3系列，基于Arm Cortex-M33內(nèi)核，具有強(qiáng)大的處理能力和豐富的外設(shè)。

軟件開發(fā)工具：使用瑞薩電子提供的e2 studio集成開發(fā)環(huán)境（IDE）進(jìn)行軟件開發(fā)，簡(jiǎn)化開發(fā)過(guò)程。

控制算法實(shí)現(xiàn)：編寫控制算法代碼，包括移相控制、MPC等高級(jí)控制方法。利用瑞薩電子的基礎(chǔ)數(shù)字電源軟件算法包，加快開發(fā)進(jìn)度。

5. 測(cè)試與驗(yàn)證

5.1 功能測(cè)試

靜態(tài)測(cè)試：檢查電路的靜態(tài)特性，如電壓、電流是否符合設(shè)計(jì)要求。

動(dòng)態(tài)測(cè)試：通過(guò)負(fù)載變化測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，驗(yàn)證控制算法的有效性。

5.2 效率測(cè)試

滿載效率：測(cè)量系統(tǒng)在滿載條件下的效率，確保達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

輕載效率：測(cè)量系統(tǒng)在輕載條件下的效率，確保系統(tǒng)在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)都能保持高效率。

5.3 安全測(cè)試

電氣安全測(cè)試：進(jìn)行絕緣電阻、泄漏電流等電氣安全測(cè)試，確保系統(tǒng)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

電磁兼容性（EMC）測(cè)試：進(jìn)行輻射發(fā)射和抗干擾測(cè)試，確保系統(tǒng)在復(fù)雜電磁環(huán)境中能正常工作。

所需芯片推薦

1. MCU

瑞薩電子 RA6M3系列：基于Arm Cortex-M33內(nèi)核，具有高性能處理能力和豐富的外設(shè)，適合實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法。例如RA6M3GK1003CFW：120MHz主頻，2MB Flash，512KB SRAM，支持多種通信接口和定時(shí)器。

2. GaN FET

EPC2045：650V，4mΩ，Qg=19nC，適用于高頻應(yīng)用。

GaN Systems GS66508B：650V，50mΩ，Qg=20nC，具有高可靠性。

3. SiC MOSFET

Infineon CoolSiC? IMZ120R045M1H：1200V，45mΩ，適用于高壓應(yīng)用。

4. 驅(qū)動(dòng)器

TI UCC27531：高速驅(qū)動(dòng)器，適用于GaN FET和SiC MOSFET，具有快速上升和下降時(shí)間。

STMicroelectronics STGAP2S：隔離式驅(qū)動(dòng)器，適用于高壓應(yīng)用，提供可靠的隔離性能。

5. 保護(hù)電路

電流傳感器：如Allegro ACS712，用于檢測(cè)電流。

溫度傳感器：如Maxim Integrated MAX31855，用于監(jiān)測(cè)溫度。

電壓監(jiān)測(cè)IC：如Texas Instruments LM4040，用于監(jiān)測(cè)電壓。

附瑞薩電子3.6kW 雙向數(shù)字功率DAB系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

我司是瑞薩電子代理商，如需產(chǎn)品規(guī)格書、樣片測(cè)試、采購(gòu)、BOM配單等需求，請(qǐng)加客服微信：13310830171。

結(jié)論

3.6kW雙向數(shù)字功率DAB系統(tǒng)的設(shè)計(jì)涉及多個(gè)方面，包括拓?fù)溥x擇、參數(shù)設(shè)計(jì)、控制策略、電路設(shè)計(jì)、軟件開發(fā)以及測(cè)試驗(yàn)證。通過(guò)合理選擇高性能的MCU、GaN FET、驅(qū)動(dòng)器和保護(hù)電路，可以實(shí)現(xiàn)高效的雙向功率轉(zhuǎn)換。瑞薩電子的RA6M3系列MCU及其基礎(chǔ)數(shù)字電源軟件算法包為開發(fā)者提供了強(qiáng)大的支持，簡(jiǎn)化了開發(fā)過(guò)程。希望本文能幫助您更好地理解DAB系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并為您提供有價(jià)值的參考信息。