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)在電動汽車充電、儲能系統(tǒng)和可再生能源應用中變得越來越重要。雙有源橋（DAB, Dual Active Bridge）拓撲因其高效率、高功率密度和靈活的控制特性而成為實現(xiàn)雙向功率轉(zhuǎn)換的理想選擇。芯片代理商-中芯巨能將詳細介紹3.6kW雙向數(shù)字功率DAB系統(tǒng)的設計要點，并推薦所需的芯片。

DAB拓撲概述

雙有源橋（DAB）是一種隔離型DC-DC變換器，由兩個全橋電路通過高頻變壓器連接而成。DAB拓撲具有以下優(yōu)點：

雙向功率流動：可以實現(xiàn)能量從初級側(cè)到次級側(cè)或從次級側(cè)到初級側(cè)的雙向傳輸。

軟開關特性：通過適當?shù)目刂撇呗裕梢詫崿F(xiàn)零電壓開關（ZVS）和零電流開關（ZCS），從而減少開關損耗。

高效率：通過優(yōu)化控制算法和使用高性能半導體器件，可以實現(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。

設計要點

1. 拓撲選擇與參數(shù)設計

1.1 拓撲選擇

對于3.6kW的雙向數(shù)字功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，DAB拓撲是一個理想的選擇。它可以通過適當?shù)目刂撇呗詫崿F(xiàn)高效、可靠的雙向功率轉(zhuǎn)換。

1.2 參數(shù)設計

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

變壓器設計：設計高頻變壓器，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。

電容設計：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：通過調(diào)整初級側(cè)和次級側(cè)全橋的相位差來控制功率流動方向和大小。這是DAB最常見的控制方法。

單移相控制：僅調(diào)整一個全橋的相位角，適用于輕載和中等負載條件。

雙重移相控制：同時調(diào)整兩個全橋的相位角，適用于重載條件，可以進一步提高效率。

2.2 高級控制方法

模型預測控制（MPC）：通過預測未來的系統(tǒng)狀態(tài)并選擇最優(yōu)控制動作，實現(xiàn)更精確的控制。

自適應控制：根據(jù)系統(tǒng)的工作狀態(tài)自動調(diào)整控制參數(shù)，提高系統(tǒng)的動態(tài)響應和穩(wěn)定性。

3. 電路設計

3.1 開關器件選擇

GaN FET：650V GaN FET具有高開關速度、低導通電阻和低柵極電荷，適合高頻應用。推薦型號如EPC2045、GaN Systems GS66508B等。

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

3.2 驅(qū)動電路

高速驅(qū)動器：選擇能夠提供快速上升和下降時間的驅(qū)動器，以確保開關器件的可靠工作。推薦型號如TI UCC27531、STMicroelectronics STGAP2S。

3.3 保護電路

過流保護：通過檢測電流并設置閾值來防止過流損壞開關器件。

過溫保護：通過溫度傳感器監(jiān)測開關器件和磁性元件的溫度，防止過熱。

欠壓/過壓保護：監(jiān)測輸入和輸出電壓，防止電壓異常導致系統(tǒng)損壞。

4. 軟件設計

4.1 控制算法實現(xiàn)

MCU選擇：選擇高性能MCU來實現(xiàn)復雜的控制算法。推薦瑞薩電子的RA6M3系列，基于Arm Cortex-M33內(nèi)核，具有強大的處理能力和豐富的外設。

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）進行軟件開發(fā)，簡化開發(fā)過程。

控制算法實現(xiàn)：編寫控制算法代碼，包括移相控制、MPC等高級控制方法。利用瑞薩電子的基礎數(shù)字電源軟件算法包，加快開發(fā)進度。

5. 測試與驗證

5.1 功能測試

靜態(tài)測試：檢查電路的靜態(tài)特性，如電壓、電流是否符合設計要求。

動態(tài)測試：通過負載變化測試系統(tǒng)的動態(tài)響應，驗證控制算法的有效性。

5.2 效率測試

滿載效率：測量系統(tǒng)在滿載條件下的效率，確保達到設計目標。

輕載效率：測量系統(tǒng)在輕載條件下的效率，確保系統(tǒng)在整個負載范圍內(nèi)都能保持高效率。

5.3 安全測試

電氣安全測試：進行絕緣電阻、泄漏電流等電氣安全測試，確保系統(tǒng)符合相關標準。

電磁兼容性（EMC）測試：進行輻射發(fā)射和抗干擾測試，確保系統(tǒng)在復雜電磁環(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，適合實現(xiàn)復雜的控制算法。例如RA6M3GK1003CFW：120MHz主頻，2MB Flash，512KB SRAM，支持多種通信接口和定時器。

2. GaN FET

EPC2045：650V，4mΩ，Qg=19nC，適用于高頻應用。

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

3. SiC MOSFET

Infineon CoolSiC? IMZ120R045M1H：1200V，45mΩ，適用于高壓應用。

4. 驅(qū)動器

TI UCC27531：高速驅(qū)動器，適用于GaN FET和SiC MOSFET，具有快速上升和下降時間。

STMicroelectronics STGAP2S：隔離式驅(qū)動器，適用于高壓應用，提供可靠的隔離性能。

5. 保護電路

電流傳感器：如Allegro ACS712，用于檢測電流。

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

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

附瑞薩電子3.6kW 雙向數(shù)字功率DAB系統(tǒng)設計框圖

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

結(jié)論

3.6kW雙向數(shù)字功率DAB系統(tǒng)的設計涉及多個方面，包括拓撲選擇、參數(shù)設計、控制策略、電路設計、軟件開發(fā)以及測試驗證。通過合理選擇高性能的MCU、GaN FET、驅(qū)動器和保護電路，可以實現(xiàn)高效的雙向功率轉(zhuǎn)換。瑞薩電子的RA6M3系列MCU及其基礎數(shù)字電源軟件算法包為開發(fā)者提供了強大的支持，簡化了開發(fā)過程。希望本文能幫助您更好地理解DAB系統(tǒng)的設計要點，并為您提供有價值的參考信息。