基于三相維也納架構(gòu)，以STM32G474RET6設(shè)計(jì)的雙向15KW三相雙向充電樁電源方案

方案STDES-PFCBIDIR是一個(gè)15KW的三相維也納非隔離方案，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)AC/DC和DC/AC的雙向轉(zhuǎn)換，非常適用于高功率充電樁，工業(yè)電池充電器，UPS等的前級(jí)應(yīng)用。該方案直流電壓：800Vdc，交流電壓：400Vac@50Hz，功率15KW，效率高達(dá)99%，采用軟啟動(dòng)，能有效抑制浪涌電流。

整個(gè)方案由主功率回路，LCL濾波電路，傳感電路，浪涌保護(hù)電路，電網(wǎng)連接電路和輔助電源電路幾部分組成，MCU通過(guò)開(kāi)關(guān)去控制與交流電網(wǎng)的斷開(kāi)與連接，以及在整流或者逆變模式下的負(fù)載和電流的管理，ST STGAP2S是一個(gè)門(mén)級(jí)驅(qū)動(dòng)芯片，由他輸出開(kāi)關(guān)信號(hào)，分別控制相應(yīng)的開(kāi)關(guān)管，以確保開(kāi)關(guān)頻率和死區(qū)時(shí)間的獨(dú)立管理。

該方案基于ST MCU STM32G474RET6實(shí)現(xiàn)控制，該芯片是ST新一代數(shù)字電源控制芯片，主頻高達(dá)170MHz，內(nèi)核采用Arm Cortex-M4，支持浮點(diǎn)運(yùn)算，數(shù)學(xué)加速器，高精度定時(shí)器，該定時(shí)器可以同時(shí)發(fā)出12路PWM任意波，精度高達(dá)184ps，同時(shí)該芯片集成4個(gè)OP，多路UART，I2C，DAC控制，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)過(guò)流和過(guò)壓保護(hù)。

為了更好的熟悉該控制芯片，搭建數(shù)字電源基本架構(gòu)，ST還提供了B-G474E-DPOW1開(kāi)發(fā)板，該開(kāi)發(fā)板基于STM32G474RET6設(shè)計(jì)，提供了USB3.0，Type-C接口，全面的軟件Hal庫(kù)，各種軟件示例，可以幫助用戶設(shè)計(jì)數(shù)字電源原型應(yīng)用。

如下圖所示，是三相維也納拓?fù)涞闹饕娐罚嗾鳂?，該電路使用碳化硅MOS，是考慮到逆變功能，如果不需要逆變，可以使用碳化硅二極管在整流橋，碳化硅二極管相較于快恢二極管，耐壓，EMI以及抗浪涌沖擊能力都會(huì)更好；每相一個(gè)雙向開(kāi)關(guān)由兩個(gè)碳化硅MOS組成，共用驅(qū)動(dòng)信號(hào)，降低了控制和驅(qū)動(dòng)的難度，相比其他的組合，具有效率高，器件數(shù)量少的優(yōu)點(diǎn)。

一般維也納的拓?fù)涠疾捎脭?shù)字控制，相對(duì)于模擬控制，控制靈活，可移植性強(qiáng)，以充電樁的PFC控制為例，簡(jiǎn)單說(shuō)明MCU控制原理：通過(guò)三個(gè)繼電器控制信號(hào)Relay_A，Relay_B，Relay_C來(lái)控制PFC電感的充放電。三相三電平PFC可以看作是三個(gè)單相的PFC，每個(gè)單相相當(dāng)于由兩個(gè)Boost電路組成，在交流電壓的正負(fù)半周交替工作，以A相為例，驅(qū)動(dòng)信號(hào)為高時(shí)，則開(kāi)關(guān)管Q9導(dǎo)通（交流電壓的正半周）或者Q10導(dǎo)通（交流電壓的負(fù)半周）；驅(qū)動(dòng)信號(hào)為低時(shí)，開(kāi)關(guān)管Q9和Q10都關(guān)斷。電壓正半周時(shí)，A相上橋臂MOS導(dǎo)通；電壓負(fù)半周時(shí)，A相下橋臂MOS導(dǎo)通。

這種控制電路一般采取雙環(huán)的控制方式，即電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)。電壓外環(huán)得到穩(wěn)定的輸出直流電壓，供后級(jí)電路的使用，電流內(nèi)環(huán)得到接近正弦的輸入電流，滿足THD和PF值的要求。

PFC控制方式如下圖所示：輸入電壓經(jīng)過(guò)ADC采樣，在經(jīng)過(guò)PLL計(jì)算得到實(shí)時(shí)電壓幅值和相位，再經(jīng)過(guò)前饋函數(shù)，得到前饋占空比；反饋分成兩部分，一部分是輸出電壓的采樣，輸出電壓和給定電壓之間的壓差，經(jīng)過(guò)PI運(yùn)算實(shí)現(xiàn)電壓環(huán)；另外一部分是電流，通過(guò)電壓環(huán)得到瞬時(shí)電流值，結(jié)合相位表，得到實(shí)時(shí)電流，該電流與主回路電流的差值，經(jīng)過(guò)PI運(yùn)算，得到反饋占空比，反饋占空比與前饋占空比相加得到實(shí)際的占空比，這樣就可以形成整個(gè)PFC控制回路。

?場(chǎng)景應(yīng)用圖

?產(chǎn)品實(shí)體圖

?展示板照片

?方案方塊圖

?Demo：B-G474E-DPOW1

?核心技術(shù)優(yōu)勢(shì)

1. 三相維也納，可以實(shí)現(xiàn)AC/DC DC/AC雙相逆變，主要用于大功率充電樁等前級(jí)應(yīng)用。

2. ST新一代數(shù)字電源控制芯片STM32G474，實(shí)現(xiàn)純數(shù)字控制，靈活配置。

3. 方案尺寸小，頻率高達(dá)100KHz。

4. 控制芯片可以輸出12路高精度PWM，頻率可以配置2-3級(jí)拓?fù)洹?/p>

?方案規(guī)格

1. 三相三電平雙向AC/DC轉(zhuǎn)換。

2. AC交流電壓：380±10%Vac，DC直流電壓：800Vdc。

3. AC to DC模式：PF> 0.99，支持軟啟動(dòng)，抑制浪涌電流。

4. 整機(jī)效率高達(dá)99%。

5. 主芯片采用ST新一代數(shù)字電源控制芯片STM32G474RET6，主頻170MHz，F(xiàn)lash 512K，LQFP64。