DAB 软开关边界 — Phase Shift / ZVS 区域 / EPS / TPS

DAB 把"双向 + 软开关 + 高密度"这三件难事用一个变压器加它的漏感解决——左右两端都是有源全桥,中间一个隔离变压器,变压器漏感本身就是谐振电感 (不另加),控制变量只剩两端方波的相位差 φ。这种"用漏感不用外电感"的结构是 DAB 比 PSFB 更紧凑的根本原因,也让 ZVS 边界数学变成 M 和 φ 的双变量问题。

DAB 把两端的全桥用一个变压器和它的漏感连起来——变压器既隔离又传能,漏感 Llk 充当谐振电感(不另加一个外部电感,这是 DAB 比 PSFB 紧凑的本质原因)。控制变量是两端方波之间的相位差 φ,φ 决定能量流向 + 流量,无需调节频率或占空比即可工作。这种结构让 DAB 在车载 OBC、储能、数据中心 PSU 三个领域同时成为主流双向方案。

最简单的调制 — Single Phase Shift (SPS):两端方波 50% 占空比固定,只调相位 φ:

其中:

• $V1,V2$:两端 DC 电压
• $n$:变压器变比
• $fs$:开关频率
• $Llk$:变压器漏感(典型 5-50 μH @ 100-200 kHz)
• $\varphi$:相位差,$-\pi /2<\varphi <\pi /2$ 单调单向

关键观察:

• $\varphi >0$ → 能量从一次到二次
• $\varphi <0$ → 反向
• $\varphi =\pm \pi /2$ → 理论最大功率 $Pmax=\frac{nV1V2}{8fsLlk}$
• 工程上 $\varphi$ 通常限到 $\pm \pi /3$(更大会失 ZVS 且控制非线性)

ZVS (Zero-Voltage Switching) 要求 SW 在导通前已经被反向电流"放电",使其漏-源电压先降到 0 再开通。DAB 中,变压器电流方向决定能不能 ZVS:

定义 $M=V2/(nV1)$:理想匹配 M = 1。

• M = 1 + 中重载:每个相位切换时,Llk 电流方向都"恰好"反向放电寄生电容 → 全 ZVS ✓
• M > 1.3 (二次电压高):Llk 一次端电流在切换时方向不对 → 一次失 ZVS ✗
• M < 0.7:类似但反向,二次失 ZVS ✗
• 轻载 + 大 |φ|:电流幅值小,寄生电容放不完 → 硬开关 ✗

直接后果:

• M 偏移 1 越远,ZVS 区越窄
• 轻载工况 ZVS 失最严重 → 空载效率 50%+ 都正常

这个现象图(SVG 右半)是 DAB 工程师必背的 mental model。

DAB 控制器同样是双环:

• 外环(电压或电池 SOC):指令 ${\varphi }^{\ast }$,带宽 50-300 Hz
• 内环(电流或功率):跟踪 $\varphi$,带宽 1-3 kHz

前馈 + 反馈混合:稳态 $\varphi$ 用功率公式直接算(前馈),小扰动用 PI 修(反馈)。这种结构动态响应快得多,因为功率公式是闭式解,PI 只补偿模型误差。

DAB 小信号模型 比 PSFB / LLC 复杂得多——能量在 Llk 里双向传递,系统是非最小相位的(RHP zero 在 $\varphi$ 大时出现) → 控制带宽受限。

EV 主流 isolated DC-DC 三选项:

直觉:双向不可妥协 → DAB;单向 + 极致效率 → LLC;简单 + 成熟 → PSFB。

DAB 空载效率差是普世问题。工程上有几个常用对策:

把上面所有讨论压缩成一个具体设计,下面是 11 kW 双向车载 OBC 的典型参数 — 漏感、变比、频率、调制策略各档位都给出工程化数字,可以直接当起点 baseline 用。

DAB 设计失败往往不在数学,而在ZVS 边界判断 + 控制非线性。下面是工程师反复踩的 5 个坑: