ST 双向15KW三相双向充电桩电源方案基于三相维也纳架构STM32G474RET6设计

qwqwqw2088 · 发表于2024-12-23 21:51

ST 双向15KW三相双向充电桩电源方案基于三相维也纳架构STM32G474RET6设计 [复制链接]

本帖最后由 qwqwqw2088 于 2024-12-24 10:42 编辑

方案STDES-PFCBIDIR是一个15KW的三相维也纳非隔离方案，可同时实现AC/DC和DC/AC的双向转换，非常适用于高功率充电桩，工业电池充电器，UPS等的前级应用。该方案直流电压：800Vdc，交流电压：400Vac@50Hz，功率15KW，效率高达99%，采用软启动，能有效抑制浪涌电流。

整个方案由主功率回路，LCL滤波电路，传感电路，浪涌保护电路，电网连接电路和辅助电源电路几部分组成，MCU通过开关去控制与交流电网的断开与连接，以及在整流或者逆变模式下的负载和电流的管理，ST STGAP2S是一个门级驱动芯片，由他输出开关信号，分别控制相应的开关管，以确保开关频率和死区时间的独立管理。

该方案基于ST MCU STM32G474RET6实现控制，该芯片是ST新一代数字电源控制芯片，主频高达170MHz，内核采用Arm Cortex-M4，支持浮点运算，数学加速器，高精度定时器，该定时器可以同时发出12路PWM任意波，精度高达184ps，同时该芯片集成4个OP，多路UART，I2C，DAC控制，实现实时过流和过压保护。

为了更好的熟悉该控制芯片，搭建数字电源基本架构，ST还提供了B-G474E-DPOW1开发板，该开发板基于STM32G474RET6设计，提供了USB3.0，Type-C接口，全面的软件Hal库，各种软件示例，可以帮助用户设计数字电源原型应用。

如下图所示，是三相维也纳拓扑的主要电路，三相整流桥，该电路使用碳化硅MOS，是考虑到逆变功能，如果不需要逆变，可以使用碳化硅二极管在整流桥，碳化硅二极管相较于快恢二极管，耐压，EMI以及抗浪涌冲击能力都会更好；每相一个双向开关由两个碳化硅MOS组成，共用驱动信号，降低了控制和驱动的难度，相比其他的组合，具有效率高，器件数量少的优点。

一般维也纳的拓扑都采用数字控制，相对于模拟控制，控制灵活，可移植性强，以充电桩的PFC控制为例，简单说明MCU控制原理：通过三个继电器控制信号Relay_A，Relay_B，Relay_C来控制PFC电感的充放电。三相三电平PFC可以看作是三个单相的PFC，每个单相相当于由两个Boost电路组成，在交流电压的正负半周交替工作，以A相为例，驱动信号为高时，则开关管Q9导通（交流电压的正半周）或者Q10导通（交流电压的负半周）；驱动信号为低时，开关管Q9和Q10都关断。电压正半周时，A相上桥臂MOS导通；电压负半周时，A相下桥臂MOS导通。

这种控制电路一般采取双环的控制方式，即电压外环和电流内环。电压外环得到稳定的输出直流电压，供后级电路的使用，电流内环得到接近正弦的输入电流，满足THD和PF值的要求。

PFC控制方式如下图所示：输入电压经过ADC采样，在经过PLL计算得到实时电压幅值和相位，再经过前馈函数，得到前馈占空比；反馈分成两部分，一部分是输出电压的采样，输出电压和给定电压之间的压差，经过PI运算实现电压环；另外一部分是电流，通过电压环得到瞬时电流值，结合相位表，得到实时电流，该电流与主回路电流的差值，经过PI运算，得到反馈占空比，反馈占空比与前馈占空比相加得到实际的占空比，这样就可以形成整个PFC控制回路。