Che cos’è un Dual Active Bridge?

Un Dual Active Bridge (DAB) è un convertitore CC-CC che fornisce un flusso di potenza bidirezionale e isolamento galvanico. Viene preso in considerazione per applicazioni relative a sistemi di batterie, energie rinnovabili, trasformatori a stato solido e applicazioni di reti a bassa/media tensione. Presenta caratteristiche di progettazione flessibili per adattarsi a specifici requisiti di tensione e potenza, con la possibilità di procedere al soft switching. Questa sua adattabilità gli consente di ottenere livelli di efficienza maggiori del 98% per un determinato campo di funzionamento. È possibile creare stack per ottenere tensioni maggiori, modificarlo per offrire una funzionalità CA e parallelizzarlo per un flusso di potenza superiore e migliori armoniche.

Il Dual Active Bridge viene realizzato a partire da due full-bridge, separati da un trasformatore ad alta frequenza e un induttore. A seconda della strategia di controllo, è possibile aggiungere anche un condensatore di blocco CC. Lo schema che segue mostra il layout di un DAB monofase.

Il numero di dispositivi in un Dual Active Bridge, accoppiati con approcci di controllo a modulazione di fase, si presta al controllo digitale. La progettazione di un Dual Active Bridge necessita di una combinazione tra un progetto di controllo digitale e simulazione elettrica di alta qualità. Con Simulink^® e Simscape Electrical™, è possibile modellare e simulare gli algoritmi di controllo e l’elettronica di un Dual Active Bridge. È possibile generare codice a partire dai modelli per la simulazione in tempo reale e l’implementazione del codice di produzione. Ciò consente di applicare la progettazione Model-Based a qualsiasi aspetto del proprio progetto di Dual Active Bridge.

Modellazione e simulazione

È possibile iniziare a simulare un Dual Active Bridge immediatamente utilizzando gli esempi forniti in Simscape Electrical. Simscape Electrical offre più livelli di fedeltà per dispositivi attivi e passivi con un’ampia gamma di opzioni per la modellazione termica e le perdite di commutazione.

Progettazione dei controlli

In Simulink, è possibile sviluppare algoritmi di controllo sia per i Dual Active Bridge monofase che per quelli trifase. La simulazione di algoritmi di controllo con il modello di DAB consente di regolare i parametri del controller per ottenere prestazioni ottimali in base ai requisiti specifici del progetto. Esistono svariate strategie di controllo, come la modulazione trapezoidale e triangolare, ma quella più utilizzata è la modulazione Single Phase Shift, che sarà spiegata nella sezione dedicata alla modulazione in fondo alla pagina.

Generazione di codice embedded

Una volta che gli algoritmi di controllo DAB saranno soddisfacenti, sarà possibile generare codice C o HDL a partire dal modello Simulink. Questo codice è pronto per essere distribuito su microcontroller, System on a Chip (SoC) e FPGA, oltre a poter essere ottimizzato in base a fornitori hardware specifici.

Tutorial sulla modulazione Single Phase Shift

L’approccio più usato per controllare e far funzionare un Dual Active Bridge è quello che prevede l’uso della modulazione Single Phase Shift. Il controllo viene eseguito generando due segnali PWM a duty cycle al 50% con uno sfasamento tra l’uno e l’altro. Maggiore è la differenza di fase, maggiore è la potenza che fluisce attraverso il convertitore. Facendo riferimento alla Figura 3, il lato sinistro è controllato dal primo segnale PWM e dal suo complemento mentre il lato destro è controllato dal secondo segnale PWM e dal suo complemento. Ciò permette di ottenere quattro combinazioni di tensioni nell’induttore. La tensione di origine positiva e negativa si trova su un lato e la tensione di carico positiva e negativa riferita sull’altro. Queste quattro modalità vengono ottenute con l’unica varabile di controllo dell’angolo di sfasamento, che è sufficiente a generare gli otto impulsi di commutazione. Schemi di controllo più avanzati prevedono un aumento del numero di variabili di controllo per migliorare il funzionamento e l’efficienza (massimizzando il soft switching).

Qui di seguito viene mostrato il funzionamento di base di un DAB, usando l’approccio di controllo basato sulla modulazione Single Phase Shift. Più avanti questo funzionamento sarà spiegato nel dettaglio per analizzare in modo approfondito le specifiche modalità di funzionamento mostrate nel grafico.

La linea viola al di sopra dell’induttore raffigura la corrente nell’induttore. Le due onde squadrate al di sotto dell’induttore sono i due segnali PWM. Questo esempio usa uno sfasamento positivo di 45 gradi esagerato per rendere più chiara la visualizzazione delle diverse modalità. L’onda squadrata verde più grande controlla il full-bridge di sinistra mentre quella blu più piccola controlla il full-bridge di destra. La tensione di carico riferita nel trasformatore è inferiore del 20% rispetto alla tensione di origine. Usando uno sfasamento negativo si ottiene un flusso di potenza inverso.

Modalità di funzionamento

In questa sezione vengono esaminate le quattro modalità di funzionamento principali con immagini statiche.

Nella Figura 4, il flusso di potenza viene ottenuto prima di tutto nelle modalità A e C, mentre per la B e la D è necessario creare un segnale CA in grado di trasmettere potenza attraverso il trasformatore ad alta frequenza. Ciò determina la presenza di corrente in circolo, di cui occorre tenere conto nel progetto e che dovrebbe essere potenzialmente ridotta al minimo in base alle strategie di progettazione e controllo.