固態變壓器（SST）中雙有源橋（DAB）高頻DC/DC變換器控制算法與經典代碼實現深度研究報告

BASiC Semiconductor基本半導體一級代理商傾佳電子（Changer Tech）是一家專注于功率半導體和新能源汽車連接器的分銷商。主要服務于中國工業電源、電力電子設備和新能源汽車產業鏈。傾佳電子聚焦于新能源、交通電動化和數字化轉型三大方向，代理并力推BASiC基本半導體SiC碳化硅MOSFET單管，SiC碳化硅MOSFET功率模塊，SiC模塊驅動板等功率半導體器件以及新能源汽車連接器。?

傾佳電子楊茜致力于推動國產SiC碳化硅模塊在電力電子應用中全面取代進口IGBT模塊，助力電力電子行業自主可控和產業升級！

傾佳電子楊茜咬住SiC碳化硅MOSFET功率器件三個必然，勇立功率半導體器件變革潮頭：

傾佳電子楊茜咬住SiC碳化硅MOSFET模塊全面取代IGBT模塊和IPM模塊的必然趨勢！

傾佳電子楊茜咬住SiC碳化硅MOSFET單管全面取代IGBT單管和大于650V的高壓硅MOSFET的必然趨勢！

傾佳電子楊茜咬住650V SiC碳化硅MOSFET單管全面取代SJ超結MOSFET和高壓GaN 器件的必然趨勢！

1. 引言：能源互聯網背景下的SST與DAB技術演進

隨著全球能源結構的轉型與智能電網的推進，電力電子變壓器（Power Electronic Transformer, PET），亦稱為固態變壓器（Solid State Transformer, SST），正逐漸成為中高壓配電網與交直流混合微電網的核心樞紐。SST不僅具備傳統工頻變壓器的電壓變換與電氣隔離功能，還引入了無功補償、諧波抑制、電壓暫降穿越以及可再生能源接口等高級可控功能。在SST的三級式架構（AC/DC整流級、DC/DC隔離級、DC/AC逆變級）中，雙有源橋（Dual Active Bridge, DAB）變換器作為中間直流隔離級，承擔著功率雙向流動、電壓匹配及高頻電氣隔離的關鍵任務。

DAB變換器因其模塊化對稱結構、高功率密度以及實現軟開關（Soft-Switching）的潛力，成為SST中最受青睞的拓撲。然而，DAB在大功率、寬電壓范圍應用場景下面臨著巨大的技術挑戰，主要體現在輕載下零電壓開通（ZVS）失效導致的效率驟降、循環功率（Backflow Power）引起的電流應力增加，以及多模塊輸入串聯輸出并聯（ISOP）系統中的均壓與均流控制難題。

傾佳電子楊茜在對SST中DAB變換器的控制算法進行詳盡的剖析，涵蓋從經典的單移相（SPS）控制到高級的三移相（TPS）及模型預測控制（MPC）策略。同時，結合第三代寬禁帶半導體（SiC MOSFET）的器件特性，探討硬件參數對控制設計的影響，并提供基于工業界主流數字控制器（如TI C2000系列）的經典代碼實現方案，以期為高頻DC/DC變換器的研發提供極具價值的工程參考。

2. DAB變換器的工作機理與數學建模

2.1 拓撲結構與運行原理

DAB變換器主要由原邊全橋、副邊全橋、高頻變壓器（HFT）以及輔助電感（或利用變壓器漏感Lk?）構成。其核心原理是利用原、副邊全橋產生兩個占空比通常為50%的高頻方波電壓vp?(t)和vs?(t)，通過控制這兩個電壓源之間的相位差?（移相角），在電感Lk?上產生壓降，從而驅動功率流動。

在此拓撲中，功率傳輸的大小與方向由移相角?決定。當vp?超前vs?時，功率從原邊流向副邊；反之則反向流動。這種雙向流動的特性使得DAB天然適配于需要能量雙向交換的儲能系統與V2G（Vehicle-to-Grid）應用。

2.2 功率傳輸特性的數學推導

在經典的單移相（SPS）調制下，假設開關頻率為fs?，開關周期為Ts?=1/fs?，變壓器變比為n:1。定義歸一化移相比如下：

D=π??,D∈[?0.5,0.5]

電感電流iL?(t)的斜率由電感兩端的瞬時電壓決定。在一個開關周期內，電感電流呈分段線性變化。通過對電感電壓積分，可以推導出傳輸功率的解析表達式。對于SPS調制，平均傳輸功率P為：

PSPS?=2π2fs?Lk?nVin?Vout???(π?∣?∣)=2fs?Lk?nVin?Vout??D(1?2∣D∣)

其中，Vin?為原邊直流電壓，Vout?為副邊直流電壓。

深入洞察：

該功率公式揭示了DAB的非線性特性。功率與移相角呈拋物線關系，且在?=±π/2（即D=±0.25）時達到理論最大值。然而，在實際應用中，為了減小無功環流損耗，通常將工作點限制在較小的移相角范圍內（如∣?∣<π/3）。這也意味著在設計控制算法時，必須考慮到系統增益在不同工作點的變化，這對于線性控制器（如PI）的設計提出了魯棒性挑戰。

3. 高級調制策略與軟開關優化

雖然SPS調制簡單易行，但其僅利用了唯一的控制自由度（外移相角?）。當輸入輸出電壓比k=Vin?/(nVout?)偏離1時，SPS調制會導致巨大的電感峰值電流和回流功率，嚴重惡化變換器效率，并導致ZVS范圍縮窄。為解決這一問題，引入更多的控制自由度（內移相角）成為必然趨勢。

3.1 擴展移相（EPS）調制

擴展移相調制在SPS的基礎上，增加了一個內移相角D1?，通常施加在原邊全橋上，使其輸出電壓變為三電平波形（+Vin?,0,?Vin?），而副邊仍保持50%占空比的兩電平波形。

控制變量： 外移相角D??，原邊內移相角D1?。

優化目標： EPS主要用于降低回流功率（Backflow Power）。通過調節D1?，可以改變原邊電壓與電感電流的相位關系，使得在電壓不匹配（k=1）的情況下，減少電流反向流動的區間。

ZVS特性： EPS能夠顯著擴展原邊開關管的ZVS范圍，特別是在輕載條件下。通過KKT（Karush-Kuhn-Tucker）條件求解優化問題，可以得到使得回流功率最小的最優D1?和D??組合。

3.2 雙重移相（DPS）調制

DPS調制在原邊和副邊同時引入相同的內移相角D1?=D2?，再加上外移相角D??。

機理： 原副邊電壓均變為三電平波形。這種對稱的調制方式有利于降低變壓器的勵磁電流偏置，并在系統參數對稱時表現優異。

優勢： 相比SPS，DPS能顯著降低電感電流的峰值和有效值（RMS），從而減小磁性元件的銅損和開關管的導通損耗。

3.3 三重移相（TPS）調制

TPS是相移控制的終極形式，利用了所有三個自由度：原邊內移相D1?，副邊內移相D2?，以及外移相D??。

全局優化： TPS提供了最大的控制靈活性，理論上可以在任意電壓增益和負載條件下找到使總損耗（包括導通損耗和開關損耗）最小的最優解7。

實現復雜性： TPS的解空間極其復雜。TPS包含多達12種不同的工作模式。實時求解這些模式的最優解對控制器的算力要求極高。因此，工程實踐中常采用離線計算生成的查找表（LUT）或簡化的次優軌跡控制。

3.4 變頻調制（VFM）的引入

針對寬電壓范圍應用（如電動汽車充電，電池電壓變化范圍大），固定頻率的移相控制往往難以全范圍維持ZVS。

策略： VFM通過改變開關頻率fs?來調節等效阻抗。在輕載下提高頻率，可以削弱峰值電流，但在某些ZVS邊界處，降低頻率可能更有利于積累足夠的激磁能量來抽走結電容電荷。

混合控制： 結合SPS+VFM的混合控制策略，可以在極寬的負載范圍內（甚至低至10%額定功率）維持軟開關，顯著提升輕載效率。

3.5 調制策略對比總結表

4. 關鍵硬件參數對控制的影響：以SiC MOSFET為例

控制算法的設計不能脫離硬件特性。第三代寬禁帶半導體（SiC）的引入極大地提升了DAB的性能上限，但也對死區時間（Dead Time）和驅動控制提出了更嚴苛的要求。

4.1 BASiC Semiconductor SiC模塊特性分析

參考BASiC Semiconductor的BMF240R12KHB3 (1200V/240A) 和 BMF540R12MZA3 (1200V/540A) 模塊的數據手冊，我們能提取出對控制至關重要的參數19。

開關速度極快： BMF240R12KHB3的典型開通延遲td(on)?僅為65ns，上升時間tr?為37ns；關斷延遲td(off)?為110ns，下降時間tf?為36ns（@25°C）。這意味著SiC DAB可以工作在幾十kHz甚至上百kHz的頻率下。

極低的柵極電荷： 總柵極電荷QG?僅為672nC，這降低了驅動功率要求，允許更陡峭的驅動脈沖，從而減少開關損耗。

體二極管特性： SiC MOSFET的體二極管反向恢復電荷Qrr?極小，這對于DAB中經常出現的電流換流過程非常有利，減少了硬開關瞬間的電流尖峰。

4.2 死區時間（Dead Time）的計算與補償

死區時間是為了防止橋臂直通而設置的。然而，在DAB中，死區時間也是實現ZVS的關鍵窗口。過大的死區會導致電流過早反向，破壞ZVS條件；過小則可能導致直通或無法完全抽取結電容Coss?的電荷。

死區計算公式：

理論最小死區時間tdead?應滿足：

tdead?≥td(off)?+tf?+Iload_min?Coss(eq)??Vbus??

其中，Coss(eq)?是橋臂等效輸出電容（考慮上下管），Iloadm?in?是滯后橋臂在死區開始時的電感電流瞬時值[20]。對于SiC器件，由于Coss?具有強非線性且隨電壓變化，精確計算需積分電荷量。

死區效應與補償：

死區不僅影響ZVS，還會導致電壓波形畸變（電壓極性翻轉延遲），進而造成實際移相角與指令值產生偏差。這種偏差會導致功率傳輸誤差，特別是在高頻下，幾十納秒的誤差都會顯著影響精度。

補償算法： 在數字控制中，需根據電流極性動態調整PWM的比較值（CMPA/CMPB）。如果電流為正，實際脈寬會被死區“吞噬”，因此需要在指令中增加死區時間補償量；反之則減小。

5. SST中DAB的系統級控制策略

在SST應用中，DAB不僅僅是一個獨立的變換器，而是級聯系統中的一環。

5.1 輸入串聯輸出并聯（ISOP）電壓平衡控制

SST的中壓側通常由多個DAB模塊輸入串聯而成。由于模塊參數（如漏感、電容容值）的不一致，輸入電壓（電容電壓）會自動發散，導致個別模塊過壓。因此，**輸入電壓均壓（Input Voltage Sharing, IVS）**控制是必須的。

解耦控制架構：

輸出電壓環（由總功率決定）： 所有的DAB模塊共享一個總的輸出電壓環，該環路輸出一個公共的移相角指令Dcommon?，用于調節總的輸出電壓或電流。

輸入均壓環（由個體差異決定）： 每個模塊i都有一個獨立的均壓環。該環路檢測本模塊的輸入電壓Vin,i?與平均輸入電壓Vin,avg?的差值。

ΔVin,i?=Vin,i??N1?∑k=1N?Vin,k?

該誤差經過一個比例（P）或比例積分（PI）控制器，生成微調移相量Δdi?。

最終指令合成：

di?=Dcommon?+Δdi?

邏輯分析： 如果某模塊輸入電壓過高，說明其阻抗相對較大或處理功率不足。增加該模塊的移相角Δdi?（假設在單調區）會增加其傳輸功率，從而從輸入電容抽取更多電流，使其電壓下降，達到平衡。

5.2 軟啟動（Soft-Start）控制算法

DAB直接啟動會產生巨大的勵磁涌流和電容充電沖擊電流，可能瞬間擊穿SiC器件。SST的啟動必須遵循嚴格的時序。

三階段軟啟動策略：

階段一：開環占空比斜坡（Open Loop Duty Ramp）：

此時副邊全橋所有開關保持關斷（利用體二極管整流）或同步整流但不移相。

原邊全橋開始發波，但占空比D從0緩慢增加到50%。這限制了施加在變壓器上的伏秒積，防止磁芯飽和與電流過沖。

階段二：移相角斜坡（Phase Shift Ramp）：

當副邊電壓建立到一定水平，副邊開始發波，且初始移相角為0。

隨后，移相角?按預設斜率線性增加，直到達到閉環控制所需的初始值。

階段三：閉環切入（Closed Loop Handover）：

當輸出電壓接近設定值，且系統狀態穩定后，激活PI控制器，接管移相角的控制權。此時需預置PI積分器的初值，以防止控制跳變（Bump）。

6. 基于TI C2000 MCU的經典代碼實現

數字控制器的實現細節直接決定了DAB的性能。TI的C2000系列（如TMS320F28379D, F280049C）憑借其高分辨率PWM（HRPWM）和強大的DSP核，是實現DAB控制的行業標準平臺。

6.1 ePWM模塊配置核心邏輯

實現移相控制的核心在于利用ePWM模塊的**同步（Synchronization）與相位加載（Phase Loading）**功能。

計數模式： 必須使用增減計數模式（Up-Down Count Mode） 。這不僅能產生對稱的PWM波形，減少諧波，還能保證在計數器零點和周期點更新寄存器，便于實現雙邊調制。

同步鏈： 原邊主橋（Master, 如ePWM1）配置為在CTR=0時發出同步脈沖（SYNCOUT）。副邊從橋（Slave, 如ePWM2）配置為在接收到SYNCIN時，將相位寄存器（TBPHS）的值加載到計數器（TBCTR）中。

TBPHS計算公式： 在增減計數模式下，一個完整的PWM周期包含2×TBPRD個時鐘周期。因此，180度的移相對應的時間計數值為TBPRD。

TBPHS_Ticks=180.0Phase_Degree?×TBPRD

注意：C2000的TBPHS寄存器行為受PHSDIR（相位方向）位控制。若要滯后（Lag），通常設置PHSDIR=1（向上計數）或加載特定的計數值。

6.2 經典C代碼結構

以下代碼展示了基于C2000的DAB控制核心部分的實現，包含結構體定義、移相更新函數以及控制中斷服務程序（ISR）。

6.2.1 控制結構體定義

為了代碼的可移植性和清晰度，采用結構體封裝DAB的狀態變量。

C

typedef struct {

// 測量值

float32_t V_out_meas; // 輸出電壓采樣

float32_t V_in_meas; // 輸入電壓采樣

float32_t I_out_meas; // 輸出電流采樣

// 設定值

float32_t V_out_ref; // 目標輸出電壓

// 控制輸出

float32_t phase_shift_ratio; // 歸一化移相比 d (-0.5 to 0.5)

uint16_t tbphs_ticks; // 寫入寄存器的計數值

// PI控制器狀態變量

float32_t err;

float32_t inte; // 積分項

float32_t Kp;

float32_t Ki;

float32_t out_max;

float32_t out_min;

// 軟啟動狀態

uint16_t soft_start_state; // 0: Idle, 1: Duty Ramp, 2: Phase Ramp, 3: Run

float32_t duty_ramp_val;

} DAB_Control_t;

DAB_Control_t dabCtrl;

6.2.2 移相更新函數 (Update Phase Shift)

此函數負責將計算出的移相角轉換為硬件寄存器值，并處理方向位。這是實現SPS/EPS調制的底層驅動核心。

C

// 更新ePWM2相對于ePWM1的移相角

// phase_ratio范圍: -0.5 (反向最大功率) 到 +0.5 (正向最大功率)

void DAB_UpdatePhase(float32_t phase_ratio) {

uint16_t period = EPwm1Regs.TBPRD;

int32_t shift_ticks;

// 1. 限幅保護

if (phase_ratio > 0.5f) phase_ratio = 0.5f;

if (phase_ratio < -0.5f) phase_ratio = -0.5f;

// 2. 計算計數值 (Up-Down Mode: 180度 = TBPRD)

// 假設 phase_ratio = 0.5 對應 90度移相

shift_ticks = (int32_t)(phase_ratio * 2.0f * (float32_t)period); // ratio 0.5 -> 1.0 * TBPRD???

// 修正公式: 移相角phi = pi * d. d=0.5 -> phi=pi/2 (90度).

// 180度對應TBPRD. 所以90度對應 TBPRD/2.

// 公式應為: ticks = ratio * 2 * (TBPRD)??? 不，推導如下：

// 全周期 = 360度 = 2*TBPRD.

// ratio = 1.0 對應 180度 (SPS最大范圍通常只到90度即ratio=0.5)

// 這里的ratio定義為 d = phi/pi. d=0.5 -> phi=pi/2.

// 對應時間 = (0.5 * pi) / (2*pi) * T_period = 1/4 T_period.

// T_period (ticks) = 2 * TBPRD.

// 所以 ticks = 1/4 * 2 * TBPRD = 0.5 * TBPRD.

shift_ticks = (int32_t)(phase_ratio * (float32_t)period); // 正確公式

// 3. 寫入寄存器并處理方向

// C2000的TBPHS加載邏輯: 當SYNC信號到來時, CTR = TBPHS.

// 為了實現滯后(Lag), 從機在同步時刻應加載一個較小的值或改變計數方向

if (shift_ticks >= 0) {

// 正向移相 (原邊超前副邊)

EPwm2Regs.TBPHS.bit.TBPHS = shift_ticks;

EPwm2Regs.TBCTL.bit.PHSDIR = 1; // Count Up after Sync (相當于滯后)

} else {

// 反向移相

EPwm2Regs.TBPHS.bit.TBPHS = -shift_ticks;

EPwm2Regs.TBCTL.bit.PHSDIR = 0; // Count Down after Sync

}

// 關鍵：啟用影子寄存器加載，防止波形抖動

// 這一步通常在初始化中配置: TBCTL2.bit.PRDLDSYNC = 1;

}

6.2.3 控制中斷服務程序 (ISR)

控制回路通常在ADC轉換結束中斷中執行。對于ISOP系統，還需在此處加入均壓算法。

C

#define ISR_FREQ 100000.0f // 100kHz

#define TS (1.0f/ISR_FREQ)

__interrupt void dab_control_isr(void) {

// 1. 讀取ADC采樣值并歸一化

dabCtrl.V_out_meas = (float32_t)AdcResultRegs.ADCRESULT0 * ADC_PU_SCALE;

dabCtrl.V_in_meas = (float32_t)AdcResultRegs.ADCRESULT1 * ADC_PU_SCALE;

// 2. 狀態機邏輯

if (dabCtrl.soft_start_state == 1) {

// 軟啟動階段1: 占空比斜坡 (EPS模式啟動)

dabCtrl.duty_ramp_val += 0.0001f;

if (dabCtrl.duty_ramp_val >= 0.5f) {

dabCtrl.duty_ramp_val = 0.5f;

dabCtrl.soft_start_state = 2; // 進入移相斜坡

}

// 更新原邊占空比寄存器 (CMPA/CMPB)

uint16_t cmp_val = (uint16_t)((1.0f - dabCtrl.duty_ramp_val) * EPwm1Regs.TBPRD);

EPwm1Regs.CMPA.bit.CMPA = cmp_val;

EPwm1Regs.CMPB.bit.CMPB = cmp_val; // 對稱

} else if (dabCtrl.soft_start_state == 2) {

// 軟啟動階段2: 移相角斜坡 (SPS模式, Duty=50%)

dabCtrl.phase_shift_ratio += 0.0001f;

if (dabCtrl.V_out_meas >= (dabCtrl.V_out_ref * 0.9f)) {

dabCtrl.soft_start_state = 3; // 切換到閉環

// PI積分器初始化, 保證無擾切換

dabCtrl.inte = dabCtrl.phase_shift_ratio;

}

DAB_UpdatePhase(dabCtrl.phase_shift_ratio);

} else {

// 3. 穩態閉環控制 (電壓環)

dabCtrl.err = dabCtrl.V_out_ref - dabCtrl.V_out_meas;

// 比例項

float32_t p_out = dabCtrl.Kp * dabCtrl.err;

// 積分項 (帶抗飽和)

dabCtrl.inte += dabCtrl.Ki * dabCtrl.err * TS;

if (dabCtrl.inte > dabCtrl.out_max) dabCtrl.inte = dabCtrl.out_max;

if (dabCtrl.inte < dabCtrl.out_min) dabCtrl.inte = dabCtrl.out_min;

// ISOP 均壓前饋 (假設有兩模塊, Vin_total已知)

// float32_t v_bal_term = K_bal * (dabCtrl.V_in_meas - (V_in_total * 0.5f));

// 平衡邏輯: 模塊電壓高 -> 增加移相角 -> 增加功率輸出 -> 泄放電容能量

float32_t total_out = p_out + dabCtrl.inte; // + v_bal_term;

// 輸出限幅

if (total_out > dabCtrl.out_max) total_out = dabCtrl.out_max;

if (total_out < dabCtrl.out_min) total_out = dabCtrl.out_min;

dabCtrl.phase_shift_ratio = total_out;

// 4. 更新硬件

DAB_UpdatePhase(dabCtrl.phase_shift_ratio);

}

// 5. 清除中斷標志

AdcRegs.ADCINTFLGCLR.bit.ADCINT1 = 1;

PieCtrlRegs.PIEACK.all = PIEACK_GROUP1;

}

7. 仿真與模型驗證

在硬件實現之前，基于模型的開發（MBD）是驗證控制算法的關鍵步驟。推薦使用MATLAB/Simulink或PLECS進行仿真。

模型搭建： 使用Simscape Electrical庫中的基本半導體MOSFET模塊搭建功率級，變壓器需包含漏感參數。

數字控制仿真： 推薦使用Simulink的C2000 Microcontroller Blockset。可以直接使用ePWM模塊進行配置，并在仿真環境中驗證死區設置和移相邏輯是否正確29。

ISOP驗證： 搭建兩個串聯輸入的DAB模塊，人為引入參數不一致（如Lk1?=Lk2?），驗證均壓環路是否能將兩個輸入電容電壓鉗位在Vin?/2。

8. 結論

深圳市傾佳電子有限公司（簡稱“傾佳電子”）是聚焦新能源與電力電子變革的核心推動者：
傾佳電子成立于2018年，總部位于深圳福田區，定位于功率半導體與新能源汽車連接器的專業分銷商，業務聚焦三大方向：
新能源：覆蓋光伏、儲能、充電基礎設施；
交通電動化：服務新能源汽車三電系統（電控、電池、電機）及高壓平臺升級；
數字化轉型：支持AI算力電源、數據中心等新型電力電子應用。
公司以“推動國產SiC替代進口、加速能源低碳轉型”為使命，響應國家“雙碳”政策（碳達峰、碳中和），致力于降低電力電子系統能耗。代理并力推BASiC基本半導體SiC碳化硅MOSFET單管，BASiC基本半導體SiC碳化硅MOSFET功率模塊，BASiC基本半導體SiC模塊驅動板等功率半導體器件以及新能源汽車連接器。

SST中的DAB變換器控制是一個涉及多物理場、多時間尺度的復雜工程。從底層的SiC器件驅動與死區補償，到中層的SPS/TPS調制算法，再到頂層的ISOP均壓與軟啟動策略，每一個環節都決定了最終系統的效率與可靠性。

通過深入分析BASiC Semiconductor的SiC模塊特性，結合TI C2000強大的數字控制能力，提供了一套完整的工程實現路徑。SPS調制雖然經典，但在SST的高壓大功率場景下，必須結合EPS/TPS優化以及VFM變頻控制來應對輕載效率挑戰。同時，提供的C代碼框架解決了最棘手的移相寄存器配置與時序同步問題，為實際工程開發奠定了堅實基礎。未來的研究方向將更多聚焦于基于AI的數據驅動控制（如強化學習）在DAB全工況尋優中的應用。

審核編輯 黃宇