倾佳杨茜-固变方案：ED3半桥SiC模块固态变压器（SST）的隔离级DAB DC-DC的设计方案
基本半导体 1200V/540A SiC MOSFET 半桥模块 (BMF540R12MZA3) 以及 青铜剑第二代 EconoDual 即插即用驱动器 (2CP0225Txx-AB) 的规格书，我们可以为固态变压器（SST）的隔离级设计一套高性能的 双有源桥（DAB, Dual Active Bridge）DC-DC变换器。倾佳电子力推BASiC基本半导体SiC碳化硅MOSFET单管，SiC碳化硅MOSFET功率模块，SiC模块驱动板，PEBB电力电子积木，Power Stack功率套件等全栈电力电子解决方案。
倾佳电子杨茜致力于推动国产SiC碳化硅模块在电力电子应用中全面取代进口IGBT模块，助力电力电子行业自主可控和产业升级！
SST 的 DC-DC 隔离级主要负责中压直流到低压直流的电气隔离与双向功率传输。以下是针对该硬件组合的系统规格定义、驱动匹配、功率与效率验证，以及高频隔离变压器的完整设计方案。
一、 系统架构与目标规格设定
DAB 拓扑的原边和副边各需要一个全桥。
硬件配置：4 个 BMF540R12MZA3 SiC 模块 + 4 块 2CP0225Txx-AB 驱动板（组成两个完整的全桥）。
额定传输功率 (Pnom) ：200 kW
直流母线电压 (VDC1,VDC2) ：750V / 750V（符合 1200V 碳化硅器件在承受宇宙射线和电压尖峰时的典型安全降额标准）。
开关频率 (fs) ：50 kHz（兼顾 SiC 高频优势、开关损耗与高频变压器体积的最佳“甜点”频率）。
二、 SiC 模块与驱动器匹配验证
要让系统跑在 50kHz，首先必须验证青铜剑驱动器能否“推得动”这款 540A 的大容量 SiC 模块。
1. 驱动功率与峰值电流校核（验证通过）：
驱动功率：查阅 SiC 模块规格书，总栅极电荷 Qg=1320nC。若以驱动电压摆幅 ΔV=23V (+18V/-5V) 计算，50kHz 下单通道所需驱动功率为：
Pdrv=Qg×ΔV×fs=1.32muC×23V×50kHz≈1.52W
青铜剑驱动器单通道最大功率为 2W，1.52W≤2W，功率完全满足。
峰值电流：驱动峰值电流 Ig,peak=Rg(int)+Rg(ext)ΔV=1.95Ω+1.3Ω23V≈7.07A。
远低于青铜剑驱动器 ±25A 的峰值电流极限，驱动电流裕量极大。
2. ️ 核心配置建议（避坑指南）：
驱动电压定制：驱动器默认输出通常为 +15V/-4V。但 BMF540R12MZA3 手册强烈建议开通电压为 +18V 以获得最低的 RDS(on)。建议向青铜剑定制 +18V/-5V 的输出版本。
死区时间与模式设置：驱动器“半桥模式”自带 3.2μs 的死区时间。在 50kHz（周期 20μs）下，过长的死区会导致严重的波形畸变和体二极管发热。必须将驱动板 MOD 管脚悬空或接 VCC，配置为“直接模式（Direct Mode）” ，由主控 DSP 生成精确的 300ns∼500ns 死区。
三、 DAB 功率核算与效率验证
DAB 拓扑的核心优势是满载附近可以实现零电压开通 (ZVS) ，因此开通损耗 Eon≈0，主要核算导通损耗和硬关断损耗。
1. 电流应力分析：
设满载 200kW 时，DAB 移相占空比设定为 D=0.3。
变压器漏感匹配：Lk=2⋅fs⋅PnomVDC2×D×(1−D)=2×50000×2000007502×0.3×0.7≈5.9muH。
最大谐振峰值电流：Ipeak=4⋅fs⋅LkVDC×2D≈381A。
单管 RMS 有效值电流：Irms_sw=2Ipeak×1−2D/3=2341A≈241A。
验证：模块额定电流为 540A (Tc=90∘C)，241A 的有效值留有一倍以上的通流裕量。
2. 损耗与热验证：
导通损耗 (Pcond) ：预估 Tj=125∘C 下 RDS(on)≈3.0mΩ。
Pcond=Irms_sw2×RDS(on)=2412×0.003≈174W
开关损耗 (Psw) ：因 ZVS，仅算关断损耗。依据规格书图 11 插值并折算至 750V/381A，预估单管硬关断 Eoff≈11.2mJ。
Psw=Eoff×fs=11.2mJ×50kHz=560W
结温校验：单管总损耗 =174+560=734W。
利用极佳的氮化硅基板热阻 Rth(j−c)=0.077K/W，温升 ΔTj−c=734×0.077=56.5∘C。配合 60℃ 的水冷底板，结温约 116.5∘C，远低于 175℃ 的极限值，热设计极度安全。
3. 效率评估：
全桥 8 个开关管总损耗 = 8×734W≈5.87kW。
半导体级纯效率 = 200kW+5.87kW200kW≈97.15%。即便扣除变压器约 1.5kW 损耗，整机 DC-DC 效率依然能稳定在 96.5% 左右。
四、 高频隔离变压器设计 (SST 核心)
SST 的本质是利用高频变压器实现中高压的电气隔离并缩减体积，设计需兼顾高频磁学与高压绝缘。
1. 磁芯选型与尺寸估算 (Area Product 法)：
材料：在 50kHz 大功率下，铁氧体发热严重。强烈推荐 纳米晶（Nanocrystalline，如日立 Finemet 或安泰非晶） ，其饱和磁通密度极高（∼1.2T），高频损耗极低。
设计：设定工作磁通密度摆幅 Bm=±0.3T。按照 AP 法估算，需选用有效截面积 Ae≈15∼20cm2 的定制大型 U 型组合磁芯。
2. 绕组匝数设计：
根据法拉第方波激励定律（假设 Ae=15cm2）：
N=4⋅fs⋅Bm⋅AeVDC=4×50000×0.3×0.0015750≈8.33匝
为保证 1:1 变比，初级与次级均取 9 匝。
3. 导线与趋肤效应控制：
50kHz 时铜的趋肤深度 δ≈0.29mm。必须采用单丝直径 ≤0.1mm 的漆包线绞合的 高频利兹线 (Litz Wire) 。
变压器绕组有效值电流高达 341A，按 4A/mm2 的电流密度计算，需截面积约 85mm2。建议定制采用 0.1mm×10000股 规格的高频利兹线（为便于绕制，可分为 4 根线缆并绕）。
4. 绝缘与漏感一体化设计 (SST 独有考量)：
SST 绝缘层：青铜剑驱动器具备 5000Vac 隔离，但这只是控制侧的隔离。SST 变压器自身需要跨接电网，通常需承受 10kV−35kV 的工频隔离。必须采用分段分离绕制（原副边分别绕在 U 型磁芯的两侧立柱上），并使用聚酰亚胺 (PI) 胶带隔离，整体进入真空缸进行 环氧树脂真空灌封 (Vacuum Potting) ，以杜绝局部放电 (PD)。
漏感白嫖：这种“分柱分离绕制”的结构会自然漏掉大量磁力线，产生较大的漏感。通过微调原副边绕组的物理间距，可以直接利用这部分空间漏磁作为 DAB 传输所需的 5.9muH 移相电感，从而彻底省去外置高频电感，减小体积与成本。
审核编辑 黄宇
