基于三相維也納架構，以STM32G474RET6設計的雙向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AC/DC和DC/AC的雙向轉換，非常適用于高功率充電樁，工業(yè)電池充電器，UPS等的前級應用。該方案直流電壓：800Vdc，交流電壓：400Vac@50Hz，功率15KW，效率高達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載和電流的管理，ST STGAP2S是一個(gè)門(mén)級驅動(dòng)芯片，由他輸出開(kāi)關(guān)信號，分別控制相應的開(kāi)關(guān)管，以確保開(kāi)關(guān)頻率和死區時(shí)間的獨立管理。

該方案基于ST MCU STM32G474RET6實(shí)現控制，該芯片是ST新一代數字電源控制芯片，主頻高達170MHz，內核采用Arm Cortex-M4，支持浮點(diǎn)運算，數學(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184ps，同時(shí)該芯片集成4個(gè)OP，多路UART，I2C，DAC控制，實(shí)現實(shí)時(shí)過(guò)流和過(guò)壓保護。

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

如下圖所示，是三相維也納拓撲的主要電路，三相整流橋，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，共用驅動(dòng)信號，降低了控制和驅動(dòng)的難度，相比其他的組合，具有效率高，器件數量少的優(yōu)點(diǎn)。

一般維也納的拓撲都采用數字控制，相對于模擬控制，控制靈活，可移植性強，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)單相相當于由兩個(gè)Boost電路組成，在交流電壓的正負半周交替工作，以A相為例，驅動(dòng)信號為高時(shí)，則開(kāi)關(guān)管Q9導通（交流電壓的正半周）或者Q10導通（交流電壓的負半周）；驅動(dòng)信號為低時(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導通；電壓負半周時(shí)，A相下橋臂MOS導通。

這種控制電路一般采取雙環(huán)的控制方式，即電壓外環(huán)和電流內環(huán)。電壓外環(huán)得到穩定的輸出直流電壓，供后級電路的使用，電流內環(huán)得到接近正弦的輸入電流，滿(mǎn)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計算得到實(shí)時(shí)電壓幅值和相位，再經(jīng)過(guò)前饋函數，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運算實(shí)現電壓環(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

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

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

3. 方案尺寸小，頻率高達100KHz。

4. 控制芯片可以輸出12路高精度PWM，頻率可以配置2-3級拓撲。

?方案規格

1. 三相三電平雙向AC/DC轉換。

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. 整機效率高達99%。

5. 主芯片采用ST新一代數字電源控制芯片STM32G474RET6，主頻170MHz，Flash 512K，LQFP64。