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15KW的三相維也納非隔離方案，可同時實現(xiàn)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，能有效抑制浪涌電流。

整個方案由主功率回路，LCL濾波電路，傳感電路，浪涌保護電路，電網連接電路和輔助電源電路幾部分組成，MCU通過開關去控制與交流電網的斷開與連接，以及在整流或者逆變模式下的負載和電流的管理，ST STGAP2S是一個門級驅動芯片，由他輸出開關信號，分別控制相應的開關管，以確保開關頻率和死區(qū)時間的獨立管理。

該方案基于ST MCU STM32G474RET6實現(xiàn)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，支持浮點運算，數學加速器，高精度定時器，該定時器可以同時發(fā)出12路PWM任意波，精度高達184ps，同時該芯片集成4個OP，多路UART，I2C，DAC控制，實現(xiàn)實時過流和過壓保護。

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開發(fā)板，該開發(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更好；每相一個雙向開關由兩個碳化硅MOS組成，共用驅動信號，降低了控制和驅動的難度，相比其他的組合，具有效率高，器件數量少的優(yōu)點。

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，簡單說明MCU控制原理：通過三個繼電器控制信號Relay_A，Relay_B，Relay_C來控制PFC電感的充放電。三相三電平PFC可以看作是三個單相的PFC，每個單相相當于由兩個Boost電路組成，在交流電壓的正負半周交替工作，以A相為例，驅動信號為高時，則開關管Q9導通（交流電壓的正半周）或者Q10導通（交流電壓的負半周）；驅動信號為低時，開關管Q9和Q10都關斷。電壓正半周時，A相上橋臂MOS導通；電壓負半周時，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(wěn)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，滿足THD和PF值的要求。

PFC控制方式如下圖所示：輸入電壓經過ADC采樣，在經過PLL計算得到實時電壓幅值和相位，再經過前饋函數，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，經過PI運算實現(xiàn)電壓環(huán)；另外一部分是電流，通過電壓環(huán)得到瞬時電流值，結合相位表，得到實時電流，該電流與主回路電流的差值，經過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際的占空比，這樣就可以形成整個PFC控制回路。

?場景應用圖

?產品實體圖

?展示板照片

?方案方塊圖

?Demo：B-G474E-DPOW1

?核心技術優(yōu)勢

1. 三相維也納，可以實現(xiàn)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，實現(xiàn)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(guī)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，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，F(xiàn)lash 512K，LQFP64。