基于三相维也纳架构,以STM32G474RET6设计的双向15KW三相双向充电桩电源方案

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。

 


场景应用图

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产品实体图

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展示版照片

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方案方块图

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Demo:B-G474E-DPOW1

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核心技术优势

1. 三相维也纳,可以实现AC/DC DC/AC双相逆变,主要用于大功率充电桩等前级应用。 2. ST新一代数字电源控制芯片STM32G474,实现纯数字控制,灵活配置。 3. 方案尺寸小,频率高达100KHz。 4. 控制芯片可以输出12路高精度PWM,频率可以配置2-3级拓扑。

方案规格

1. 三相三电平双向AC/DC转换。 2. AC交流电压:380±10%Vac,DC直流电压:800Vdc。 3. AC to DC模式:PF> 0.99,支持软启动,抑制浪涌电流。 4. 整机效率高达99%。 5. 主芯片采用ST新一代数字电源控制芯片STM32G474RET6,主频170MHz,Flash 512K,LQFP64。

技术文档

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