雙管正激（Dual Active Bridge, DAB）變換器作為一種具有雙向能量傳輸能力的高頻功率變換拓撲，被廣泛應用于電動汽車充電樁、儲能系統、服務器供電模塊、光伏逆變器以及直流微電網等中高功率場景中。DAB結構具有拓撲簡潔、能量雙向流動、適配軟開關、高功率密度等優點，理論上轉換效率可以達到96%甚至更高。

然而，理想與現實之間總存在差距。即使采用先進控制策略與高性能器件，雙管正激的實測效率仍常常低于設計預期。這背后隱藏著多個“效率殺手”，它們既來自器件本身的物理特性，也來自控制系統、PCB結構和熱管理的綜合影響。

一、雙管正激基本工作原理

DAB 拓撲主要由兩個全橋變換器組成，一個連接在輸入側，另一個連接在輸出側，二者之間通過一個高頻隔離變壓器耦合能量。兩個全橋分別由4個開關管（通常為MOSFET或SiC）構成，變壓器原邊和副邊各串聯一個電感或集成漏感，以調控電流波形和功率流動方向。

工作核心是通過調整輸入橋和輸出橋之間的移相角來控制輸出功率。例如，當輸入橋先導通而輸出橋滯后導通時，能量從輸入流向輸出；移相角越大，能量傳輸越強，反之則弱。由于電流是近似矩形波，而電壓是方波，因此DAB在理論上具有非常高的ZVS（零電壓開通）適應性。

但問題就在于，這一切的“高效率”前提是理想元件、精確控制和理想工作條件。在實際電路中，這些前提很難完全滿足。

二、開關器件損耗分析

1. 導通損耗

MOSFET或SiC器件導通時存在導通電阻Rds(on)，其導通損耗可以用 P_on = I² × Rds(on) 計算。當功率增大、電流上升時，導通損耗會迅速上升。為了降低該損耗，一般選擇Rds(on)盡量小的功率管。

2. 開關損耗

MOSFET每次導通或關斷都伴隨著一定的電壓與電流交疊，形成瞬時能量耗散，尤其在高頻率下更為顯著。此類損耗主要與器件的輸出電容（Coss）、門極電荷（Qg）和驅動能力有關。SiC MOSFET 雖然具備快開快關的優點，但其驅動要求高，若未配合合適驅動芯片與布局，很容易產生過沖或振蕩。

3. 決策困境

為了降低導通損耗，一些設計者選用芯片面積更大的器件，結果卻帶來了更大的輸入輸出電容（Cin/Coss），反而增加開關損耗。開關器件的選型實際上是一個性能與代價之間的博弈，而非單純“越貴越好”。

三、磁性元件問題

變壓器與串聯電感是DAB系統的能量傳遞和暫存核心。理想變壓器不會損耗能量，但現實中鐵損和銅損不可避免。

1. 鐵損

高頻條件下，鐵芯材料因磁滯回線面積大而損耗明顯，且損耗隨頻率升高呈指數級上升。常用材料如鐵氧體在100kHz以上磁芯損耗會迅速攀升，因此必須合理設計磁通密度并選用適配頻率的磁材。

2. 銅損與趨膚效應

繞組中的高頻電流會集中在導體表面，形成趨膚效應，導致交流阻抗遠高于直流電阻，造成額外發熱。采用Litz線或扁平銅箔繞組結構可以有效緩解這一問題。

3. 泄露電感與寄生參數

高頻變壓器不可避免地存在泄漏電感和繞組間寄生電容，它們會引起電壓尖峰、環流、EMI干擾等不良現象，降低傳輸效率。因此，變壓器結構需精心布局，必要時加入RC吸收或夾位電路抑制尖峰。

四、控制策略挑戰

DAB的高效率主要得益于ZVS（Zero Voltage Switching），即在MOSFET導通瞬間，其兩端電壓已降為零，從而避免了高電壓下的開通損耗。但要維持ZVS狀態，需滿足一定條件：

- 電流方向必須能對電容充放電；

- 負載功率不能太輕，否則無法觸發ZVS；

- 相位差需在一定范圍之內，超出后可能切換到硬開關。

工程中若采用固定頻率控制，易因負載波動而偏離ZVS工作區；而若采用自適應變頻控制，控制器設計復雜度和算法復雜度都會顯著增加。

此外，許多工程師選擇使用數字控制器、DSP 或 FPGA 實現移相角調節和ZVS鎖定邏輯，以兼顧動態響應速度和效率。這種方法雖然增加了成本，但確實提高了系統運行效率和穩定性。

五、熱設計與布局

即使理論損耗很低，如果熱量無法及時釋放，同樣會影響效率和器件壽命。MOSFET在工作中產生的熱量若未能及時導出，不但影響其Rds(on)，還會使電容特性劣化。

以下幾點至關重要：

- 開關回路走線應盡量短，減小寄生電感；

- 驅動信號布線需避免交叉干擾；

- MOSFET、二極管應布置于大面積銅箔或加裝散熱片；

- 熱敏元件如NTC可以實時監控熱點溫度，實現主動降頻保護；

- PCB采用多層銅結構有助于導熱與分流，提升可靠性。

六、系統匹配

單個變換模塊效率再高，如果未能與輸入輸出系統實現良好匹配，整體效率仍會打折。例如，DAB輸出接入的是電池組，其充電曲線變化較大；如果系統無法動態調節移相角或工作頻率以適配這種變化，電流就容易偏離最佳波形，產生諧波、損耗增大、甚至失去軟開關條件。

部分方案通過引入母線電壓均衡控制器、MPPT模塊、SOC自適應控制，提升系統級能效。但這也要求軟件算法與硬件設計并行優化，提升了整體設計門檻。

總結

雙管正激拓撲作為先進的能量轉換結構，其高效率并不是天生的，而是對器件選擇、磁件設計、控制算法、熱設計、PCB布局乃至系統匹配的多方面協同優化成果。設計過程中若忽視其中任一環節，都會造成效率損耗甚至系統不穩定。

只有將“設計的理想”與“損耗的現實”之間的鴻溝一一填補，才能真正突破效率瓶頸，使雙管正激在實際應用中發揮其應有的性能優勢。