3.6kW 双向数字功率DAB系统设计要点及所需芯片推荐

随着电力电子技术的不断发展，双向数字功率转换系统在电动汽车充电、储能系统和可再生能源应用中变得越来越重要。双有源桥（DAB, Dual Active Bridge）拓扑因其高效率、高功率密度和灵活的控制特性而成为实现双向功率转换的理想选择。芯片代理商-中芯巨能将详细介绍3.6kW双向数字功率DAB系统的设计要点，并推荐所需的芯片。

DAB拓扑概述

双有源桥（DAB）是一种隔离型DC-DC变换器，由两个全桥电路通过高频变压器连接而成。DAB拓扑具有以下优点：

双向功率流动：可以实现能量从初级侧到次级侧或从次级侧到初级侧的双向传输。

软开关特性：通过适当的控制策略，可以实现零电压开关（ZVS）和零电流开关（ZCS），从而减少开关损耗。

高效率：通过优化控制算法和使用高性能半导体器件，可以实现非常高的转换效率。

高功率密度：由于高频工作，可以减小磁性元件的尺寸，提高系统的功率密度。

设计要点

1. 拓扑选择与参数设计

1.1 拓扑选择

对于3.6kW的双向数字功率转换系统，DAB拓扑是一个理想的选择。它可以通过适当的控制策略实现高效、可靠的双向功率转换。

1.2 参数设计

输入/输出电压范围：确定系统的输入和输出电压范围。例如，输入电压为400V DC，输出电压为48V DC。

频率选择：选择合适的开关频率。高频可以减小磁性元件的尺寸，但也会增加开关损耗。通常选择50kHz至200kHz之间的频率。

变压器设计：设计高频变压器，确保其能够在高频下高效工作。考虑漏感、磁芯材料和绕组结构等因素。

电容设计：选择合适的直流母线电容和滤波电容，以确保系统的稳定性和低纹波。

2. 控制策略

2.1 基本控制方法

移相控制：通过调整初级侧和次级侧全桥的相位差来控制功率流动方向和大小。这是DAB最常见的控制方法。

单移相控制：仅调整一个全桥的相位角，适用于轻载和中等负载条件。

双重移相控制：同时调整两个全桥的相位角，适用于重载条件，可以进一步提高效率。

2.2 高级控制方法

模型预测控制（MPC）：通过预测未来的系统状态并选择最优控制动作，实现更精确的控制。

自适应控制：根据系统的工作状态自动调整控制参数，提高系统的动态响应和稳定性。

3. 电路设计

3.1 开关器件选择

GaN FET：650V GaN FET具有高开关速度、低导通电阻和低栅极电荷，适合高频应用。推荐型号如EPC2045、GaN Systems GS66508B等。

SiC MOSFET：如果需要更高的耐压能力，可以选择SiC MOSFET。推荐型号如Infineon CoolSiC™ IMZ120R045M1H。

3.2 驱动电路

高速驱动器：选择能够提供快速上升和下降时间的驱动器，以确保开关器件的可靠工作。推荐型号如TI UCC27531、STMicroelectronics STGAP2S。

3.3 保护电路

过流保护：通过检测电流并设置阈值来防止过流损坏开关器件。

过温保护：通过温度传感器监测开关器件和磁性元件的温度，防止过热。

欠压/过压保护：监测输入和输出电压，防止电压异常导致系统损坏。

4. 软件设计

4.1 控制算法实现

MCU选择：选择高性能MCU来实现复杂的控制算法。推荐瑞萨电子的RA6M3系列，基于Arm Cortex-M33内核，具有强大的处理能力和丰富的外设。

软件开发工具：使用瑞萨电子提供的e² studio集成开发环境（IDE）进行软件开发，简化开发过程。

控制算法实现：编写控制算法代码，包括移相控制、MPC等高级控制方法。利用瑞萨电子的基础数字电源软件算法包，加快开发进度。

5. 测试与验证

5.1 功能测试

静态测试：检查电路的静态特性，如电压、电流是否符合设计要求。

动态测试：通过负载变化测试系统的动态响应，验证控制算法的有效性。

5.2 效率测试

满载效率：测量系统在满载条件下的效率，确保达到设计目标。

轻载效率：测量系统在轻载条件下的效率，确保系统在整个负载范围内都能保持高效率。

5.3 安全测试

电气安全测试：进行绝缘电阻、泄漏电流等电气安全测试，确保系统符合相关标准。

电磁兼容性（EMC）测试：进行辐射发射和抗干扰测试，确保系统在复杂电磁环境中能正常工作。

所需芯片推荐

1. MCU

瑞萨电子 RA6M3系列：基于Arm Cortex-M33内核，具有高性能处理能力和丰富的外设，适合实现复杂的控制算法。例如RA6M3GK1003CFW：120MHz主频，2MB Flash，512KB SRAM，支持多种通信接口和定时器。

2. GaN FET

EPC2045：650V，4mΩ，Qg=19nC，适用于高频应用。

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

3. SiC MOSFET

Infineon CoolSiC™ IMZ120R045M1H：1200V，45mΩ，适用于高压应用。

4. 驱动器

TI UCC27531：高速驱动器，适用于GaN FET和SiC MOSFET，具有快速上升和下降时间。

STMicroelectronics STGAP2S：隔离式驱动器，适用于高压应用，提供可靠的隔离性能。

5. 保护电路

电流传感器：如Allegro ACS712，用于检测电流。

温度传感器：如Maxim Integrated MAX31855，用于监测温度。

电压监测IC：如Texas Instruments LM4040，用于监测电压。

附瑞萨电子3.6kW 双向数字功率DAB系统设计框图

我司是瑞萨电子代理商，如需产品规格书、样片测试、采购、BOM配单等需求，请加客服微信：13310830171。

结论

3.6kW双向数字功率DAB系统的设计涉及多个方面，包括拓扑选择、参数设计、控制策略、电路设计、软件开发以及测试验证。通过合理选择高性能的MCU、GaN FET、驱动器和保护电路，可以实现高效的双向功率转换。瑞萨电子的RA6M3系列MCU及其基础数字电源软件算法包为开发者提供了强大的支持，简化了开发过程。希望本文能帮助您更好地理解DAB系统的设计要点，并为您提供有价值的参考信息。