基于應(yīng)用SiC模塊的固態(tài)變壓器（SST）控制架構(gòu)與DSP實(shí)現(xiàn)報(bào)告

BASiC Semiconductor基本半導(dǎo)體一級(jí)代理商傾佳電子（Changer Tech）是一家專(zhuān)注于功率半導(dǎo)體和新能源汽車(chē)連接器的分銷(xiāo)商。主要服務(wù)于中國(guó)工業(yè)電源、電力電子設(shè)備和新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)鏈。傾佳電子聚焦于新能源、交通電動(dòng)化和數(shù)字化轉(zhuǎn)型三大方向，代理并力推BASiC基本半導(dǎo)體SiC碳化硅MOSFET單管，SiC碳化硅MOSFET功率模塊，SiC模塊驅(qū)動(dòng)板等功率半導(dǎo)體器件以及新能源汽車(chē)連接器。?

傾佳電子楊茜致力于推動(dòng)國(guó)產(chǎn)SiC碳化硅模塊在電力電子應(yīng)用中全面取代進(jìn)口IGBT模塊，助力電力電子行業(yè)自主可控和產(chǎn)業(yè)升級(jí)！

傾佳電子楊茜咬住SiC碳化硅MOSFET功率器件三個(gè)必然，勇立功率半導(dǎo)體器件變革潮頭：

傾佳電子楊茜咬住SiC碳化硅MOSFET模塊全面取代IGBT模塊和IPM模塊的必然趨勢(shì)！

傾佳電子楊茜咬住SiC碳化硅MOSFET單管全面取代IGBT單管和大于650V的高壓硅MOSFET的必然趨勢(shì)！

傾佳電子楊茜咬住650V SiC碳化硅MOSFET單管全面取代SJ超結(jié)MOSFET和高壓GaN 器件的必然趨勢(shì)！

1. 緒論

1.1 固態(tài)變壓器技術(shù)演進(jìn)與應(yīng)用背景

隨著智能電網(wǎng)（Smart Grid）概念的深化以及分布式可再生能源（DERs）滲透率的提升，傳統(tǒng)的工頻變壓器（LFT）因其體積龐大、缺乏可控性以及無(wú)法直接處理直流負(fù)載等局限性，正面臨著技術(shù)革新的迫切需求。固態(tài)變壓器（Solid State Transformer, SST），亦稱(chēng)為電力電子變壓器（PET），作為一種集成了高頻變壓器與功率半導(dǎo)體變換器的能量路由設(shè)備，憑借其高功率密度、電能質(zhì)量調(diào)節(jié)能力以及交直流混合接口特性，成為了配電網(wǎng)現(xiàn)代化的核心裝備

在SST的發(fā)展歷程中，半導(dǎo)體器件的性能始終是制約其電壓等級(jí)與轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵瓶頸。傳統(tǒng)的硅（Si）基IGBT雖然技術(shù)成熟，但其開(kāi)關(guān)損耗限制了SST的工作頻率（通常低于10 kHz），導(dǎo)致高頻變壓器的體積縮小優(yōu)勢(shì)無(wú)法充分發(fā)揮。近年來(lái)，以碳化硅（SiC）為代表的寬禁帶（WBG）半導(dǎo)體技術(shù)的商業(yè)化成熟，為SST帶來(lái)了革命性的突破。SiC MOSFET具有更高的擊穿電場(chǎng)、更高的熱導(dǎo)率以及極低的開(kāi)關(guān)損耗，使得SST能夠在數(shù)十千赫茲甚至上百千赫茲的頻率下運(yùn)行于中壓（MV）配電網(wǎng)環(huán)境，同時(shí)保持極高的系統(tǒng)效率。

1.2 SiC模塊在SST中的關(guān)鍵作用

傾佳電子楊茜將重點(diǎn)圍繞應(yīng)用SiC功率模塊的SST展開(kāi)，特別是針對(duì)中壓配電網(wǎng)（如10 kV或13.8 kV）的主流拓?fù)浼軜?gòu)——級(jí)聯(lián)H橋（Cascaded H-Bridge, CHB）整流級(jí)與雙有源橋（Dual Active Bridge, DAB）隔離DC-DC級(jí)的組合。選用的核心參考器件為BASiC Semiconductor（基本半導(dǎo)體）的Pcore?2系列SiC MOSFET模塊（如BMF240R12KHB3，1200V/240A），該類(lèi)器件代表了當(dāng)前工業(yè)界在低電感封裝與高頻開(kāi)關(guān)性能方面的先進(jìn)水平。

SiC模塊的引入不僅提升了硬件性能，更對(duì)數(shù)字控制系統(tǒng)提出了嚴(yán)苛的挑戰(zhàn)。納秒級(jí)的開(kāi)關(guān)速度（如BMF240R12KHB3的開(kāi)通延遲僅約65ns）要求控制算法具備極高的執(zhí)行效率與精確的時(shí)序管理能力。數(shù)字信號(hào)處理器（DSP），特別是Texas Instruments的C2000系列（如TMS320F28379D, F280049C），憑借其高分辨率PWM（HRPWM）、控制律加速器（CLA）以及可配置邏輯塊（CLB）等專(zhuān)用外設(shè)，成為了實(shí)現(xiàn)SiC SST復(fù)雜控制策略的首選平臺(tái)。

1.3 報(bào)告范圍與結(jié)構(gòu)

傾佳電子楊茜剖析基于SiC模塊的固態(tài)變壓器SST的主流控制算法及其在DSP上的底層代碼實(shí)現(xiàn)。傾佳電子楊茜將涵蓋從系統(tǒng)級(jí)拓?fù)浞治?、SiC器件特性對(duì)控制參數(shù)的影響，到具體的AC/DC與DC/DC級(jí)控制策略（如SRF-PLL、電壓平衡排序算法、SPS移相控制），以及系統(tǒng)級(jí)的軟啟動(dòng)與保護(hù)邏輯。文中將通過(guò)詳細(xì)的C語(yǔ)言代碼片段、寄存器配置說(shuō)明以及算法流程圖，展示如何將理論控制策略轉(zhuǎn)化為工業(yè)級(jí)的嵌入式軟件。

2. SST拓?fù)浼軜?gòu)與SiC器件特性分析

2.1 級(jí)聯(lián)型SST拓?fù)浣馕?/p>

針對(duì)中壓交流（MVAC）到低壓直流（LVDC）的應(yīng)用場(chǎng)景，模塊化多電平級(jí)聯(lián)拓?fù)涫悄壳肮I(yè)界的主流選擇。該架構(gòu)主要由三個(gè)功率變換階段組成：

高壓交流/直流級(jí)（MV AC/DC）： 采用級(jí)聯(lián)H橋（CHB）整流器。由于單管SiC MOSFET的耐壓通常限制在1.2 kV - 3.3 kV，直接通過(guò)單級(jí)變換器連接10 kV電網(wǎng)是不現(xiàn)實(shí)的。CHB拓?fù)渫ㄟ^(guò)將多個(gè)低壓功率單元（Power Electronic Building Block, PEBB）在交流側(cè)串聯(lián)，能夠分擔(dān)高壓應(yīng)力，并合成出多電平階梯波，顯著降低網(wǎng)側(cè)電流諧波THD。

隔離直流/直流級(jí)（MV DC/LV DC）： 采用輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)（ISOP）的雙有源橋（DAB）變換器。每個(gè)CHB單元的直流母線后端連接一個(gè)DAB模塊。DAB通過(guò)高頻變壓器實(shí)現(xiàn)電氣隔離與電壓匹配，并利用漏感實(shí)現(xiàn)能量傳輸。其核心優(yōu)勢(shì)在于能夠?qū)崿F(xiàn)全負(fù)載范圍內(nèi)的零電壓開(kāi)通（ZVS），與SiC器件的高頻特性相得益彰。

低壓直流/交流級(jí)（LV DC/AC）： （可選）若需連接低壓交流負(fù)載或并入低壓微網(wǎng)，可在低壓直流母線后級(jí)聯(lián)逆變器。

2.2 SiC MOSFET模塊的關(guān)鍵電氣特性

在設(shè)計(jì)DSP控制算法之前，必須深入理解所選SiC模塊的電氣特性，因?yàn)檫@些參數(shù)直接決定了死區(qū)時(shí)間、驅(qū)動(dòng)保護(hù)閾值以及熱保護(hù)邏輯的設(shè)定。以BASiC BMF240R12KHB3（1200V, 240A）為例：

2.2.1 開(kāi)關(guān)動(dòng)態(tài)特性與死區(qū)設(shè)置

SiC MOSFET的開(kāi)關(guān)速度遠(yuǎn)快于同等級(jí)的Si IGBT。根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)5：

開(kāi)通延遲時(shí)間（td(on)?）： 典型值為65 ns（@25°C）至56 ns（@175°C）。

上升時(shí)間（tr?）： 典型值為37 ns（@25°C）。

關(guān)斷延遲時(shí)間（td(off)?）： 典型值為110 ns（@25°C）至124 ns（@175°C）。

下降時(shí)間（tf?）： 典型值為36 ns（@25°C）。

控制啟示： 總的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換過(guò)程在200ns以?xún)?nèi)。這意味著在DSP的PWM配置中，死區(qū)時(shí)間（Dead-Time）必須設(shè)置得足夠小以減少體二極管導(dǎo)通帶來(lái)的損耗（SiC體二極管壓降較高，約3-4V），但又必須大于器件的關(guān)斷延遲與驅(qū)動(dòng)回路傳輸延遲之和以防止直通。傳統(tǒng)的微秒級(jí)死區(qū)在SiC應(yīng)用中是不可接受的，通常需要設(shè)置在300ns至500ns之間。

2.2.2 柵極驅(qū)動(dòng)與內(nèi)部電阻

該模塊的內(nèi)部柵極電阻（RG(int)?）典型值為2.85 Ω。由于SiC MOSFET的跨導(dǎo)特性，其對(duì)柵極振蕩較為敏感。DSP輸出的PWM信號(hào)在經(jīng)過(guò)隔離驅(qū)動(dòng)芯片（如UCC21732）時(shí)，必須匹配合適的外部柵極電阻，并在代碼中配置消隱時(shí)間（Blanking Time）以避免由于高dv/dt導(dǎo)致的誤觸發(fā)保護(hù)。

2.2.3 熱特性與NTC傳感器

模塊內(nèi)部集成了NTC熱敏電阻用于溫度監(jiān)測(cè)。由于SiC器件具有極高的功率密度，結(jié)溫上升極快，DSP必須通過(guò)ADC實(shí)時(shí)采樣NTC電壓，并利用Steinhart-Hart方程或查表法快速計(jì)算結(jié)溫，實(shí)現(xiàn)過(guò)溫保護(hù)（OTP）。

3. 分布式數(shù)字控制系統(tǒng)架構(gòu)

鑒于SST包含數(shù)十甚至上百個(gè)開(kāi)關(guān)器件，單一控制器難以滿足實(shí)時(shí)性要求。主流方案采用“主控制器（Master）+ 從控制器（Slave）”的分布式架構(gòu)。

3.1 硬件層級(jí)劃分

主控制器（Master Controller）：

核心任務(wù)： 負(fù)責(zé)系統(tǒng)級(jí)能量管理、電網(wǎng)同步（PLL）、功率分配、人機(jī)交互以及與上層調(diào)度系統(tǒng)的通訊。

硬件選型： 通常采用高性能多核DSP（如TMS320F28388D）或FPGA+DSP組合。

從控制器（Slave Controller）：

核心任務(wù)： 負(fù)責(zé)單個(gè)PEBB（包含一個(gè)H橋和一個(gè)DAB）的具體控制，包括高頻PWM生成、本地電流/電壓采樣、保護(hù)邏輯執(zhí)行以及DAB的移相控制。

硬件選型： 高性?xún)r(jià)比實(shí)時(shí)MCU（如TMS320F280049C或F280039C），具備高分辨率PWM和快速ADC。

3.2 通訊架構(gòu)

主從之間通常通過(guò)高速串行總線連接：

CAN/CAN-FD： 用于下發(fā)功率指令和上傳狀態(tài)信息，抗干擾能力強(qiáng)，適合工業(yè)環(huán)境15。

FSI (Fast Serial Interface)： TI C2000系列特有的高速接口，用于在隔離域之間傳輸極低延遲的同步信號(hào)和保護(hù)信號(hào)。

PWM同步信號(hào)： 物理層面的同步脈沖，確保所有級(jí)聯(lián)單元的三角載波相位嚴(yán)格對(duì)齊或按規(guī)律移相（載波移相SPWM）。

4. AC/DC級(jí)控制算法與DSP實(shí)現(xiàn)

CHB整流器的控制目標(biāo)是維持直流母線電壓穩(wěn)定，并控制網(wǎng)側(cè)電流為正弦且與電網(wǎng)電壓同相（單位功率因素）。

4.1 軟件鎖相環(huán)（SRF-PLL）

為了實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)變換（Park變換），必須準(zhǔn)確獲取電網(wǎng)電壓的相位角θ。在三相系統(tǒng)中，同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系鎖相環(huán)（SRF-PLL）是標(biāo)準(zhǔn)方案。

4.1.1 算法原理

將采集的三相電壓vabc?通過(guò)Clarke變換得到vαβ?，再通過(guò)Park變換得到vdq?。利用PI控制器調(diào)節(jié)vq?分量至0，PI控制器的輸出即為電網(wǎng)角頻率偏差Δω，疊加額定頻率ω0?后積分即可得到相位θ。

4.1.2 DSP C代碼實(shí)現(xiàn)

在C2000 DSP中，PLL算法通常在ADC中斷服務(wù)程序（ISR）中執(zhí)行。為了提高計(jì)算效率，利用DCL（Digital Control Library）庫(kù)18。

C

// 定義PLL結(jié)構(gòu)體

typedef struct {

float32_t v_q; // q軸電壓反饋

float32_t theta; // 輸出相位角 (0 ~ 2*PI)

float32_t omega; // 當(dāng)前角頻率

float32_t omega_nom; // 額定角頻率 (如 2*PI*50)

DCL_PI pi_reg; // PI控制器對(duì)象

float32_t sin_theta; // sin(theta) 緩存

float32_t cos_theta; // cos(theta) 緩存

} SPLL_3PH_SRF;

// PLL 初始化

void SPLL_Init(SPLL_3PH_SRF *spll) {

spll->omega_nom = 2.0f * 3.1415926f * 50.0f; // 50Hz

spll->theta = 0.0f;

// 初始化PI參數(shù) (需根據(jù)帶寬設(shè)計(jì)，例如帶寬20Hz)

spll->pi_reg.Kp = 166.32f;

spll->pi_reg.Ki = 165.68f;

DCL_resetPI(&spll->pi_reg);

}

// PLL 運(yùn)行函數(shù) (在ISR中調(diào)用)

// Ts 為采樣周期

inline void SPLL_Run(SPLL_3PH_SRF *spll, float32_t v_q_meas, float32_t Ts) {

// 1. 運(yùn)行PI控制器調(diào)節(jié) Vq -> 0

// 注意：PI的誤差輸入應(yīng)為 (Ref - Meas) = (0 - v_q_meas) = -v_q_meas

float32_t loop_out = DCL_runPI(&spll->pi_reg, 0.0f, v_q_meas);

// 2. 頻率計(jì)算

spll->omega = spll->omega_nom + loop_out;

// 3. 角度積分

spll->theta += spll->omega * Ts;

// 4. 角度歸一化 (0 ~ 2*PI)

if (spll->theta > 6.2831853f) {

spll->theta -= 6.2831853f;

} else if (spll->theta < 0.0f) {

spll->theta += 6.2831853f;

}

// 5. 計(jì)算三角函數(shù)供Park變換使用 (利用TMU硬件加速)

spll->sin_theta = __sin(spll->theta);

spll->cos_theta = __cos(spll->theta);

}

深度分析： 在SiC應(yīng)用中，由于高dv/dt可能導(dǎo)致ADC采樣噪聲，直接輸入vq?可能導(dǎo)致PLL抖動(dòng)。在實(shí)際工程代碼中，通常會(huì)在輸入端增加軟件陷波器（Notch Filter）濾除2倍工頻紋波，或使用滑動(dòng)平均濾波器20。

4.2 電壓定向電流控制（VOC）

CHB采用雙閉環(huán)控制：外環(huán)為總直流電壓環(huán)，內(nèi)環(huán)為網(wǎng)側(cè)電流環(huán)。

電壓環(huán)： 對(duì)比總直流電壓參考值與采樣值，PI輸出為有功電流參考id??。

電流環(huán)： 在dq坐標(biāo)系下對(duì)id?,iq?進(jìn)行解耦控制。

DSP實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)：

由于CHB是多電平，電流環(huán)的輸出vd,ref?,vq,ref?經(jīng)過(guò)反Park變換得到vα,ref?,vβ,ref?后，不能直接發(fā)給PWM，而是作為調(diào)制波（Modulation Wave），需要結(jié)合均壓算法分配給各個(gè)H橋單元。

4.3 級(jí)聯(lián)單元均壓策略：排序算法（Sorting Algorithm）

CHB正常工作的前提是各單元直流電容電壓均衡。均壓控制是CHB算法中最耗資源的部分。最有效的方法是基于氣泡排序（Bubble Sort）的策略23。

算法邏輯：

采樣： 獲取該相所有單元的電容電壓vdc,1?,vdc,2?,...,vdc,N?。

排序： 將電壓從低到高（或從高到低）排序。

分配：

若電流igrid?>0（充電方向）：優(yōu)先導(dǎo)通電壓最低的單元，使其充電更多。

若電流igrid?<0（放電方向）：優(yōu)先導(dǎo)通電壓最高的單元，使其放電更多。

C代碼實(shí)現(xiàn)與優(yōu)化：

對(duì)于N較大的系統(tǒng)（如N>5），全排序耗時(shí)較長(zhǎng)。在C2000上，可以利用指針數(shù)組進(jìn)行間接排序，避免大量數(shù)據(jù)搬移。

C

#define NUM_CELLS 7

typedef struct {

uint16_t cell_id;

float32_t voltage;

uint16_t active_status; // 1:投入, 0:切除

} Cell_Obj;

Cell_Obj Cell_Array;

Cell_Obj* pSorted_Cells; // 指針數(shù)組，用于排序

// 氣泡排序?qū)崿F(xiàn) (按電壓從小到大)

void Voltage_Sort(void) {

int i, j;

Cell_Obj* temp;

// 初始化指針

for(i=0; i

// 排序邏輯

for (i = 0; i < NUM_CELLS - 1; i++) {

for (j = 0; j < NUM_CELLS - i - 1; j++) {

if (pSorted_Cells[j]->voltage > pSorted_Cells[j + 1]->voltage) {

// 交換指針

temp = pSorted_Cells[j];

pSorted_Cells[j] = pSorted_Cells[j + 1];

pSorted_Cells[j + 1] = temp;

}

}

}

}

// 均壓分配邏輯 (在電流環(huán)ISR中調(diào)用)

void Balance_And_Assign_PWM(float32_t i_grid, uint16_t num_cells_to_on) {

Voltage_Sort(); // 先排序

// 清除所有狀態(tài)

for(int k=0; k

if (i_grid > 0) {

// 充電：選電壓最低的 num_cells_to_on 個(gè)單元

for(int k=0; k

pSorted_Cells[k]->active_status = 1;

}

} else {

// 放電：選電壓最高的 num_cells_to_on 個(gè)單元

// 即數(shù)組末尾的單元

for(int k=0; k

pSorted_Cells->active_status = 1;

}

}

// 更新PWM寄存器

Update_PWM_Based_On_Status();

}

數(shù)據(jù)分析與洞察： 排序算法雖然邏輯簡(jiǎn)單，但執(zhí)行時(shí)間隨單元數(shù)平方增長(zhǎng)。對(duì)于20kHz的開(kāi)關(guān)頻率，DSP可能無(wú)法在單周期內(nèi)完成所有計(jì)算。因此，工程上常采用降頻排序策略（例如每5或10個(gè)PWM周期執(zhí)行一次排序），或者利用CLA協(xié)處理器并行處理排序任務(wù)，主CPU只負(fù)責(zé)讀取結(jié)果和更新PWM25。

5. DC/DC級(jí)控制算法與DSP實(shí)現(xiàn)

DAB是SST的核心功率傳輸級(jí)，其控制主要圍繞**單移相（Single Phase Shift, SPS）**調(diào)制展開(kāi)。

5.1 單移相控制（SPS）原理

SPS控制通過(guò)調(diào)節(jié)原邊全橋與副邊全橋輸出電壓之間的相位差?來(lái)控制傳輸功率。

P=2πfsw?LnV1?V2???(1?π∣?∣?)

其中?為弧度制。

5.2 基于C2000的高精度相位控制

在100 kHz的高頻下，能夠調(diào)節(jié)的相位精度直接決定了功率控制的分辨率。C2000的**高分辨率PWM（HRPWM）**模塊在此至關(guān)重要。標(biāo)準(zhǔn)PWM在100 MHz時(shí)鐘下，100 kHz開(kāi)關(guān)頻率只有1000個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)，分辨率僅為0.1%。HRPWM利用微邊沿定位技術(shù)（MEP），可將分辨率提升至150 ps級(jí)別26。

5.2.1 硬件配置

ePWM1 (Primary): 配置為主模塊（Master），SYNCOSEL = CTR_ZERO。

ePWM2 (Secondary): 配置為從模塊（Slave），PHSEN = 1。

5.2.2 移相更新代碼示例

傳統(tǒng)的ePWM模塊在更新TBPHS（相位寄存器）時(shí)沒(méi)有影子寄存器（Shadow Register），可能導(dǎo)致波形抖動(dòng)。F2837x及更新型號(hào)支持TBPHS的影子加載或利用**全局加載（Global Load）**功能同步更新27。

C

// 計(jì)算移相值并更新

// phase_pu: -1.0 到 1.0 對(duì)應(yīng) -180度 到 180度

void DAB_Update_Phase(float32_t phase_pu) {

uint32_t period_ticks = EPwm1Regs.TBPRD;

int32_t phase_ticks;

// 計(jì)算計(jì)數(shù)值

phase_ticks = (int32_t)(phase_pu * (float32_t)period_ticks);

// 限制范圍

if(phase_ticks > period_ticks) phase_ticks = period_ticks;

if(phase_ticks < -((int32_t)period_ticks)) phase_ticks = -((int32_t)period_ticks);

EALLOW;

// 處理正負(fù)移相 (超前/滯后)

// 注意：TBPHS寄存器是無(wú)符號(hào)的，方向由TBCTL.PHSDIR控制

if (phase_ticks >= 0) {

EPwm2Regs.TBCTL.bit.PHSDIR = 1; // Count Up after Sync (Lag)

EPwm2Regs.TBPHS.bit.TBPHS = (uint16_t)phase_ticks;

} else {

EPwm2Regs.TBCTL.bit.PHSDIR = 0; // Count Down after Sync (Lead)

EPwm2Regs.TBPHS.bit.TBPHS = (uint16_t)(-phase_ticks);

}

// 觸發(fā)全局加載，確保在下一個(gè)周期起始點(diǎn)同步生效

EPwm2Regs.GLDCTL2.bit.OSHTLD = 1;

EDIS;

}

5.3 變壓器偏磁抑制（Flux Balancing）

DAB的高頻變壓器容易因驅(qū)動(dòng)脈沖不對(duì)稱(chēng)或采樣誤差產(chǎn)生直流偏磁，導(dǎo)致磁芯飽和。在SST中，必須引入磁通平衡控制。

控制邏輯： 采樣原邊電流，通過(guò)低通濾波器（或滑動(dòng)平均）提取直流分量Idc?。將該分量送入PI控制器，輸出修正量Δ?或ΔD，疊加到SPS的控制量上。

C

// 偏磁抑制代碼片段 (運(yùn)行在CLA或主CPU ISR)

// i_prim_meas: 原邊電流采樣值

static float32_t i_dc_accum = 0;

float32_t i_dc_avg;

// 滑動(dòng)平均提取直流分量

i_dc_accum = (i_dc_accum * 0.99f) + (i_prim_meas * 0.01f);

i_dc_avg = i_dc_accum;

// PI控制抑制直流分量

float32_t offset_comp = DCL_runPI(&dc_suppression_pi, 0.0f, i_dc_avg);

// 將偏置量應(yīng)用到PWM占空比或相位微調(diào)

// 方式：微調(diào)CMPA/CMPB使正負(fù)半周不對(duì)稱(chēng)，抵消直流偏置

EPwm1Regs.CMPA.bit.CMPA = Nominal_CMPA + (int16_t)offset_comp;

EPwm1Regs.CMPB.bit.CMPB = Nominal_CMPB - (int16_t)offset_comp;

6. SiC專(zhuān)用保護(hù)與軟啟動(dòng)策略

6.1 軟啟動(dòng)狀態(tài)機(jī)（Soft-Start State Machine）

SST直接啟動(dòng)會(huì)產(chǎn)生巨大的沖擊電流，損壞SiC模塊或電容。必須設(shè)計(jì)嚴(yán)格的軟啟動(dòng)序列。

狀態(tài)機(jī)流程：

預(yù)充電（Pre-charge）： 閉合交流側(cè)預(yù)充電電阻回路，CHB不發(fā)波，直流母線通過(guò)二極管整流自然充電。

DAB開(kāi)環(huán)軟啟（DAB Open Loop）： 直流電壓穩(wěn)定后，旁路預(yù)充電電阻。DAB開(kāi)始以極小的占空比或移相角發(fā)波，逐步建立低壓側(cè)電壓。

閉環(huán)切換（Closed Loop Handover）： 當(dāng)?shù)蛪簜?cè)電壓接近設(shè)定值，初始化PI控制器積分項(xiàng)（預(yù)置位），無(wú)縫切換到閉環(huán)控制模式。

代碼實(shí)現(xiàn)：

C

typedef enum {

STATE_IDLE,

STATE_AC_PRECHARGE,

STATE_DAB_RAMP_UP,

STATE_RUNNING,

STATE_FAULT

} SystemState_t;

void SST_State_Machine(void) {

static float32_t dab_phase_ramp = 0.0f;

switch(CurrentState) {

case STATE_AC_PRECHARGE:

if (V_dc_total > V_PRECHARGE_TARGET) {

GPIO_setHigh(RELAY_BYPASS_PIN); // 旁路電阻

CurrentState = STATE_DAB_RAMP_UP;

}

break;

case STATE_DAB_RAMP_UP:

// 緩慢增加移相角

dab_phase_ramp += 0.0005f;

DAB_Update_Phase(dab_phase_ramp);

if (V_out >= V_NOMINAL * 0.9f) {

// 預(yù)置PI積分器，防止切換沖擊

pi_voltage.i10 = dab_phase_ramp;

CurrentState = STATE_RUNNING;

}

break;

case STATE_RUNNING:

// 執(zhí)行正常的閉環(huán)控制

Run_Voltage_Loop();

break;

}

}

6.2 硬件級(jí)保護(hù)：Trip Zone配置

SiC MOSFET抗短路能力較差（短路耐受時(shí)間SCWT通常< 3μs），傳統(tǒng)的軟件保護(hù)來(lái)不及響應(yīng)。必須利用C2000的Trip Zone (TZ) 模塊直接聯(lián)動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的DESAT（退飽和）故障信號(hào)。

配置邏輯：

將驅(qū)動(dòng)器的FAULT引腳連接到DSP的TZ引腳（如GPIO12）。配置TZ為**單次觸發(fā)（One-Shot, OSHT）**模式，一旦檢測(cè)到低電平（或高電平），硬件立即將PWM置為低電平（封鎖脈沖），無(wú)需CPU干預(yù)。

C

void Init_Protection(void) {

EALLOW;

// 1. 將GPIO12配置為T(mén)Z1輸入 (連接到驅(qū)動(dòng)器DESAT Fault)

InputXbarRegs.INPUT1SELECT = 12;

// 2. 配置ePWM模塊響應(yīng)TZ1

EPwm1Regs.TZSEL.bit.OSHT1 = 1; // 啟用TZ1作為單次觸發(fā)源

// 3. 配置觸發(fā)動(dòng)作：強(qiáng)制輸出低電平 (保護(hù)SiC)

EPwm1Regs.TZCTL.bit.TZA = TZ_FORCE_LO;

EPwm1Regs.TZCTL.bit.TZB = TZ_FORCE_LO;

// 4. 啟用TZ中斷 (用于通知CPU記錄故障)

EPwm1Regs.TZEINT.bit.OST = 1;

EDIS;

}

// 故障中斷服務(wù)程序

interrupt void TZ_ISR(void) {

EALLOW;

// 清除標(biāo)志位，記錄故障時(shí)間

EPwm1Regs.TZCLR.bit.INT = 1;

PieCtrlRegs.PIEACK.all = PIEACK_GROUP2;

EDIS;

// 切換狀態(tài)機(jī)到故障狀態(tài)

CurrentState = STATE_FAULT;

}

6.3 NTC溫度檢測(cè)算法

針對(duì)BMF240R12E2G3等模塊，準(zhǔn)確的溫度讀取是熱保護(hù)的關(guān)鍵。NTC電阻隨溫度非線性變化，需使用Steinhart-Hart方程。

T1?=A+Bln(R)+C(ln(R))3

由于log和立方運(yùn)算在ISR中耗時(shí)較多，實(shí)際工程中常預(yù)先計(jì)算生成查找表（Look-up Table, LUT） ，在代碼中通過(guò)線性插值快速獲取溫度，兼顧精度與效率。

7. 結(jié)論

基于SiC模塊的SST固態(tài)變壓器的控制是一個(gè)高度復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及多層級(jí)的控制策略與毫秒級(jí)至納秒級(jí)的時(shí)序管理。傾佳電子楊茜詳細(xì)闡述了基于TI C2000 DSP的實(shí)現(xiàn)方案，核心結(jié)論如下：

SiC特性決定控制細(xì)節(jié)： 65ns的開(kāi)通延遲和極低的開(kāi)關(guān)損耗要求控制軟件必須實(shí)現(xiàn)高精度的死區(qū)管理（<500ns）和高頻SPS調(diào)制（>100kHz），這必須依賴(lài)HRPWM等專(zhuān)用外設(shè)。

分層架構(gòu)是必然選擇： CHB的均壓排序算法與DAB的高頻移相控制對(duì)算力要求極高，利用CLA分擔(dān)高頻計(jì)算任務(wù)、利用Bubble Sort優(yōu)化算法效率是系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。

保護(hù)必須硬件化： 面對(duì)SiC脆弱的短路承受能力，依靠Trip Zone和驅(qū)動(dòng)器DESAT的硬件直連保護(hù)機(jī)制是不可或缺的最后一道防線。

軟啟動(dòng)不可忽視： 狀態(tài)機(jī)驅(qū)動(dòng)的分階段軟啟動(dòng)策略能有效抑制浪涌電流，防止變壓器飽和與器件損壞。

通過(guò)上述軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)，SST能夠充分釋放SiC功率器件的潛能，實(shí)現(xiàn)高效、高功率密度的電網(wǎng)電能變換。

章節(jié)	關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)	涉及代碼/算法	硬件資源
AC/DC	電網(wǎng)同步	SRF-PLL	ADC, PI
AC/DC	電壓平衡	氣泡排序 (Bubble Sort)	CPU/CLA
DC/DC	功率傳輸	SPS移相控制	ePWM (HRPWM), Global Load
DC/DC	偏磁抑制	直流分量提取與補(bǔ)償	ADC, PI
System	保護(hù)	DESAT聯(lián)動(dòng)	Trip Zone (TZ), GPIO
System	啟動(dòng)	多階段軟啟動(dòng)狀態(tài)機(jī)	State Machine

審核編輯 黃宇