全球能源互聯(lián)網(wǎng)核心節(jié)點(diǎn)賦能者-BASiC Semiconductor基本半導(dǎo)體之一級代理商傾佳電子（Changer Tech）是一家專注于功率半導(dǎo)體和新能源汽車連接器的分銷商。主要服務(wù)于中國工業(yè)電源、電力電子設(shè)備和新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈。傾佳電子聚焦于新能源、交通電動化和數(shù)字化轉(zhuǎn)型三大方向，代理并力推BASiC基本半導(dǎo)體SiC碳化硅MOSFET單管，SiC碳化硅MOSFET功率模塊，SiC模塊驅(qū)動板等功率半導(dǎo)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(chǎn)SiC碳化硅模塊在電力電子應(yīng)用中全面取代進(jìn)口IGBT模塊，助力電力電子行業(yè)自主可控和產(chǎn)業(yè)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(dǎo)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(jié)MOSFET和高壓GaN 器件的必然趨勢！

固態(tài)變壓器（Solid State Transformer, SST）的 DC/DC 隔離級目前在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界最通用的拓?fù)涫请p有源橋變換器（Dual Active Bridge, DAB）。它具有易于實現(xiàn)高頻電氣隔離、支持能量雙向流動以及全功率范圍內(nèi)易于實現(xiàn)軟開關(guān)（ZVS）等優(yōu)點(diǎn)。

DAB 最經(jīng)典、應(yīng)用最廣泛的控制策略是單移相控制（Single Phase Shift, SPS）。在 SPS 模式下，DAB 的原邊全橋和副邊全橋各自輸出固定 50% 占空比的高頻方波，通過控制這兩個方波之間的**相位差（移相占空比 D）**來調(diào)節(jié)傳輸功率的大小和方向。

傾佳電子楊茜提供的 DAB 變換器代碼編寫指南，包含底層 DSP C語言實現(xiàn)、參數(shù)驗證 Python 代碼以及工程調(diào)試避坑指南。

1. 核心數(shù)學(xué)模型 (SPS控制)

在單移相控制下，DAB 的傳輸有功功率公式為： $$ P = frac{n V_1 V_2}{2 f_s L} D (1 - |D|) $$

V1?,V2?: 原邊和副邊直流側(cè)母線電壓

n: 變壓器變比 (Nsec?/Npri?)

fs?: 開關(guān)頻率

L: 變壓器漏感 + 線路外接輔助電感

D: 移相占空比，定義為 D=π相移角度?。理論取值范圍為 [?0.5,0.5]（對應(yīng) ?90°～90°）。

D>0：原邊超前副邊，能量正向流動（原邊傳向副邊）。

D<0：副邊超前原邊，能量反向流動（副邊傳向原邊）。

D=±0.5 時達(dá)到理論最大傳輸功率。

2. 嵌入式 DSP 控制代碼 (C語言)

在實際的數(shù)字控制中（如使用 TI C2000 系列 DSP 或 STM32），我們通常采用電壓閉環(huán)控制：采集實際輸出電壓 → 經(jīng)過 PI 控制器計算 → 輸出移相比 D → 換算為定時器 Tick 數(shù)并更新 PWM 相位寄存器。

以下代碼通常運(yùn)行在與 PWM 同頻的**定時器中斷服務(wù)函數(shù)（ISR）**中。

2.1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與 PI 控制器定義

C

#include 
#include 

// --- DAB 系統(tǒng)與硬件限制參數(shù) ---
#define PWM_PERIOD_TICKS 1000   // PWM定時器周期計數(shù)值 (根據(jù)開關(guān)頻率和系統(tǒng)時鐘設(shè)定)
#define MAX_PHASE_SHIFT  0.45f  // 最大移相占空比 (理論0.5，留出裕量防止失控和死區(qū)重疊)
#define MIN_PHASE_SHIFT -0.45f  // 反向最大移相占空比

// --- PI 控制器結(jié)構(gòu)體 ---
typedef struct {
    float V_ref;        // 目標(biāo)參考電壓 (V)
    float V_meas;       // 實際反饋采樣電壓 (V)
    float Kp;           // 比例系數(shù)
    float Ki;           // 積分系數(shù)
    float error;        // 當(dāng)前誤差
    float integral;     // 積分項
    float D_out;        // 輸出：移相占空比 D (-0.5 ~ 0.5)
} PI_Controller;

// 實例化 PI 控制器 (假設(shè)設(shè)定輸出 400V)
PI_Controller dab_pi = {
    .V_ref = 400.0f,    
    .Kp = 0.05f,        // 需根據(jù)實際硬件傳遞函數(shù)整定
    .Ki = 0.002f, 
    .integral = 0.0f,
    .D_out = 0.0f
};

2.2 閉環(huán)控制中斷服務(wù)函數(shù)

C

// DAB 電壓閉環(huán)控制函數(shù) (運(yùn)行在定時中斷中，頻率通常為開關(guān)頻率)
void DAB_Control_ISR(void) {
    // 1. 讀取硬件 ADC 采樣值并轉(zhuǎn)換為電壓 (需替換為實際底層函數(shù))
    dab_pi.V_meas = Read_ADC_Voltage();

    // 2. 計算誤差
    dab_pi.error = dab_pi.V_ref - dab_pi.V_meas;

    // 3. PI 積分計算與抗積分飽和 (Anti-windup)
    dab_pi.integral += dab_pi.error * dab_pi.Ki;
    if (dab_pi.integral > MAX_PHASE_SHIFT)  dab_pi.integral = MAX_PHASE_SHIFT;
    if (dab_pi.integral < MIN_PHASE_SHIFT)  dab_pi.integral = MIN_PHASE_SHIFT;

    // 4. 計算 PI 總輸出 (即移相占空比 D)
    dab_pi.D_out = (dab_pi.Kp * dab_pi.error) + dab_pi.integral;

    // 5. 整體輸出限幅
    if (dab_pi.D_out > MAX_PHASE_SHIFT)  dab_pi.D_out = MAX_PHASE_SHIFT;
    if (dab_pi.D_out < MIN_PHASE_SHIFT)  dab_pi.D_out = MIN_PHASE_SHIFT;

    // 6. 軟啟動與斜率限制 (防止D劇烈跳變導(dǎo)致變壓器偏磁炸機(jī))
    // dab_pi.D_out = Slew_Rate_Limiter(dab_pi.D_out);

    // 7. 更新 PWM 移相寄存器
    Update_PWM_PhaseShift(dab_pi.D_out);
    
    // 8. 清除中斷標(biāo)志位 (依具體 MCU 而定)
    // Clear_Interrupt_Flag();
}

2.3 底層 PWM 移相配置邏輯 (基于 TI C2000 思路)

DAB 的 PWM 配置非常關(guān)鍵。通常將原邊全橋（如 EPWM1, EPWM2）設(shè)為主模塊（Master），固定相位 0 并發(fā)出同步信號（SYNC）；將副邊全橋（如 EPWM3, EPWM4）設(shè)為從模塊（Slave），接收 SYNC 并修改相位寄存器（TBPHS）。

C

void Update_PWM_PhaseShift(float phase_duty) {
    // 1. 將移相占空比 D [-0.5, 0.5] 轉(zhuǎn)換為定時器的計數(shù)值 (Ticks)
    // 注意：如果是增減計數(shù)模式 (Up-Down)，相移180度(D=0.5)對應(yīng)的Tick數(shù)正好是PWM_PERIOD_TICKS
    // 所以相移 Ticks = |D| * 2 * PWM_PERIOD_TICKS
    uint16_t phase_ticks = (uint16_t)(fabsf(phase_duty) * 2.0f * PWM_PERIOD_TICKS);
    
    // 2. 寫入副邊 PWM 模塊的相位寄存器
    EPwm3Regs.TBPHS.bit.TBPHS = phase_ticks; 
    EPwm4Regs.TBPHS.bit.TBPHS = phase_ticks;
    
    // 3. 設(shè)定同步時的計數(shù)器方向 (決定是超前還是滯后)
    if (phase_duty >= 0) {
        // 正向傳輸 (V1 -> V2)：副邊滯后于原邊
        // 同步發(fā)生時，讓計數(shù)器向下計數(shù)(TB_DOWN)，產(chǎn)生滯后效果
        EPwm3Regs.TBCTL.bit.PHSDIR = TB_DOWN; 
        EPwm4Regs.TBCTL.bit.PHSDIR = TB_DOWN;
    } else {
        // 反向傳輸 (V2 -> V1)：副邊超前于原邊
        // 同步發(fā)生時，讓計數(shù)器向上計數(shù)(TB_UP)，產(chǎn)生超前效果
        EPwm3Regs.TBCTL.bit.PHSDIR = TB_UP;
        EPwm4Regs.TBCTL.bit.PHSDIR = TB_UP;
    }
}

3. 參數(shù)驗證與仿真 (Python 代碼)

在寫底層 C 代碼、確定電感 L 選型之前，必須先用 Python 或 MATLAB 跑一下數(shù)學(xué)模型，確認(rèn)你的硬件參數(shù)是否能滿足目標(biāo)傳輸功率。

Python

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

# --- DAB 硬件參數(shù)配置 ---
V1 = 750.0        # 原邊直流電壓 (V)
V2 = 400.0        # 副邊直流電壓 (V)
n = 750 / 400     # 變壓器變比 N1/N2
fs = 100e3        # 開關(guān)頻率 100 kHz
L = 40e-6         # 串聯(lián)漏感 + 輔助電感 (40 uH)

# --- 傳輸功率計算 ---
def dab_power(D):
    # D: 移相占空比 (-0.5 到 0.5)
    P_max_theoretical = (n * V1 * V2) / (2 * fs * L)
    return P_max_theoretical * D * (1 - np.abs(D))

# 生成移相角 -0.5 到 0.5 的數(shù)組
D_array = np.linspace(-0.5, 0.5, 500)
Power_array = dab_power(D_array)

# --- 繪圖與分析 ---
plt.figure(figsize=(9, 5))
plt.plot(D_array, Power_array / 1000, label='Transferred Power (kW)', color='#1f77b4', linewidth=2)
plt.axhline(0, color='black', linewidth=1)
plt.axvline(0, color='black', linewidth=1)

# 標(biāo)記最大功率點(diǎn) (D = 0.5)
P_max = dab_power(0.5) / 1000
plt.plot(0.5, P_max, 'ro')
plt.annotate(f'Max Power: {P_max:.2f} kW', xy=(0.5, P_max), xytext=(-80, -20), 
             textcoords='offset points', arrowprops=dict(arrowstyle="->"))

plt.title("DAB Transferred Power vs. Phase Shift Ratio (SPS)")
plt.xlabel("Phase Shift Ratio D (-0.5 to 0.5)")
plt.ylabel("Power (kW)")
plt.grid(True, linestyle='--')
plt.legend()
plt.show()

print(f"該硬件參數(shù)下理論最大傳輸功率: {P_max:.2f} kW")

4. 工業(yè)級 SST DAB 開發(fā)的“避坑指南”

如果您要把這段代碼運(yùn)行在真實的物理高壓硬件上，僅有上述基礎(chǔ)代碼是絕對不夠的，極易發(fā)生“炸機(jī)”。實際工程代碼必須加入以下高級策略：

死區(qū)效應(yīng)與極性反轉(zhuǎn)補(bǔ)償 (Dead-time Compensation)： H 橋上下管必須添加死區(qū)以防直通。但在輕載時（移相角極小，往往與死區(qū)時間處于同一量級），死區(qū)會導(dǎo)致輸出交流方波的極性反轉(zhuǎn)，造成嚴(yán)重的電壓畸變，使實際傳輸功率嚴(yán)重偏離理論公式。代碼對策：根據(jù)采樣到的高頻電感電流極性，在軟件中動態(tài)進(jìn)行死區(qū)時間前饋補(bǔ)償。

高頻變壓器直流偏磁抑制 (DC-Bias Prevention)： 器件導(dǎo)通壓降不一致、驅(qū)動延時不對稱，或者代碼中移相角 D 的劇烈跳變，都會導(dǎo)致變壓器伏秒不平衡，累積直流偏磁電流，導(dǎo)致磁芯瞬間飽和炸機(jī)。代碼對策：除了硬件串聯(lián)隔直電容外，軟件算法中必須引入斜率限制（Slew Rate Limiter），嚴(yán)禁移相角突變；高級算法還會采集原邊高頻電流的直流分量，微調(diào)占空比（不再死守 50.0%）進(jìn)行主動糾偏。

緩啟動狀態(tài)機(jī) (Soft Start)： 上電瞬間，副邊輸出電容電壓為 0，相當(dāng)于輸出短路。如果直接運(yùn)行閉環(huán) PI，積分器會瞬間拉滿導(dǎo)致毀滅性的浪涌電流。代碼對策：編寫狀態(tài)機(jī)，在啟動階段將 Vref? 從 0 緩慢爬升（Ramp-up）至目標(biāo)電壓，或限制 D 從極小值逐漸放開。

多重移相控制 (EPS / DPS / TPS)： SPS 控制的致命弱點(diǎn)是：當(dāng) SST 前后級電壓不匹配 (V1?=nV2?) 或系統(tǒng)處于輕載時，會產(chǎn)生極大的無功回流功率，增加電流有效值并丟失軟開關(guān) (ZVS)。進(jìn)階的 DAB 往往會升級為雙重移相 (DPS) 或 三重移相 (TPS)。這意味著代碼不僅要控制原副邊 H 橋之間的移相，還要在原/副邊 H 橋內(nèi)部的左右半橋之間引入內(nèi)移相角（使得方波變成三電平階梯波）。此時 PI 控制器的輸出將接入一個復(fù)雜的多目標(biāo)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型或查表（LUT）中，以求取不同移相角的最佳組合。