双管正激（Dual Active Bridge, DAB）变换器作为一种具有双向能量传输能力的高频功率变换拓扑，被广泛应用于电动汽车充电桩、储能系统、服务器供电模块、光伏逆变器以及直流微电网等中高功率场景中。DAB结构具有拓扑简洁、能量双向流动、适配软开关、高功率密度等优点，理论上转换效率可以达到96%甚至更高。

然而，理想与现实之间总存在差距。即使采用先进控制策略与高性能器件，双管正激的实测效率仍常常低于设计预期。这背后隐藏着多个“效率杀手”，它们既来自器件本身的物理特性，也来自控制系统、PCB结构和热管理的综合影响。

一、双管正激基本工作原理

DAB 拓扑主要由两个全桥变换器组成，一个连接在输入侧，另一个连接在输出侧，二者之间通过一个高频隔离变压器耦合能量。两个全桥分别由4个开关管（通常为MOSFET或SiC）构成，变压器原边和副边各串联一个电感或集成漏感，以调控电流波形和功率流动方向。

工作核心是通过调整输入桥和输出桥之间的移相角来控制输出功率。例如，当输入桥先导通而输出桥滞后导通时，能量从输入流向输出；移相角越大，能量传输越强，反之则弱。由于电流是近似矩形波，而电压是方波，因此DAB在理论上具有非常高的ZVS（零电压开通）适应性。

但问题就在于，这一切的“高效率”前提是理想元件、精确控制和理想工作条件。在实际电路中，这些前提很难完全满足。

二、开关器件损耗分析

1. 导通损耗

MOSFET或SiC器件导通时存在导通电阻Rds(on)，其导通损耗可以用 P_on = I² × Rds(on) 计算。当功率增大、电流上升时，导通损耗会迅速上升。为了降低该损耗，一般选择Rds(on)尽量小的功率管。

2. 开关损耗

MOSFET每次导通或关断都伴随着一定的电压与电流交叠，形成瞬时能量耗散，尤其在高频率下更为显著。此类损耗主要与器件的输出电容（Coss）、门极电荷（Qg）和驱动能力有关。SiC MOSFET 虽然具备快开快关的优点，但其驱动要求高，若未配合合适驱动芯片与布局，很容易产生过冲或振荡。

3. 决策困境

为了降低导通损耗，一些设计者选用芯片面积更大的器件，结果却带来了更大的输入输出电容（Cin/Coss），反而增加开关损耗。开关器件的选型实际上是一个性能与代价之间的博弈，而非单纯“越贵越好”。

三、磁性元件问题

变压器与串联电感是DAB系统的能量传递和暂存核心。理想变压器不会损耗能量，但现实中铁损和铜损不可避免。

1. 铁损

高频条件下，铁芯材料因磁滞回线面积大而损耗明显，且损耗随频率升高呈指数级上升。常用材料如铁氧体在100kHz以上磁芯损耗会迅速攀升，因此必须合理设计磁通密度并选用适配频率的磁材。

2. 铜损与趋肤效应

绕组中的高频电流会集中在导体表面，形成趋肤效应，导致交流阻抗远高于直流电阻，造成额外发热。采用Litz线或扁平铜箔绕组结构可以有效缓解这一问题。

3. 泄露电感与寄生参数

高频变压器不可避免地存在泄漏电感和绕组间寄生电容，它们会引起电压尖峰、环流、EMI干扰等不良现象，降低传输效率。因此，变压器结构需精心布局，必要时加入RC吸收或夹位电路抑制尖峰。

四、控制策略挑战

DAB的高效率主要得益于ZVS（Zero Voltage Switching），即在MOSFET导通瞬间，其两端电压已降为零，从而避免了高电压下的开通损耗。但要维持ZVS状态，需满足一定条件：

- 电流方向必须能对电容充放电；

- 负载功率不能太轻，否则无法触发ZVS；

- 相位差需在一定范围之内，超出后可能切换到硬开关。

工程中若采用固定频率控制，易因负载波动而偏离ZVS工作区；而若采用自适应变频控制，控制器设计复杂度和算法复杂度都会显著增加。

此外，许多工程师选择使用数字控制器、DSP 或 FPGA 实现移相角调节和ZVS锁定逻辑，以兼顾动态响应速度和效率。这种方法虽然增加了成本，但确实提高了系统运行效率和稳定性。

五、热设计与布局

即使理论损耗很低，如果热量无法及时释放，同样会影响效率和器件寿命。MOSFET在工作中产生的热量若未能及时导出，不但影响其Rds(on)，还会使电容特性劣化。

以下几点至关重要：

- 开关回路走线应尽量短，减小寄生电感；

- 驱动信号布线需避免交叉干扰；

- MOSFET、二极管应布置于大面积铜箔或加装散热片；

- 热敏元件如NTC可以实时监控热点温度，实现主动降频保护；

- PCB采用多层铜结构有助于导热与分流，提升可靠性。

六、系统匹配

单个变换模块效率再高，如果未能与输入输出系统实现良好匹配，整体效率仍会打折。例如，DAB输出接入的是电池组，其充电曲线变化较大；如果系统无法动态调节移相角或工作频率以适配这种变化，电流就容易偏离最佳波形，产生谐波、损耗增大、甚至失去软开关条件。

部分方案通过引入母线电压均衡控制器、MPPT模块、SOC自适应控制，提升系统级能效。但这也要求软件算法与硬件设计并行优化，提升了整体设计门槛。

总结

双管正激拓扑作为先进的能量转换结构，其高效率并不是天生的，而是对器件选择、磁件设计、控制算法、热设计、PCB布局乃至系统匹配的多方面协同优化成果。设计过程中若忽视其中任一环节，都会造成效率损耗甚至系统不稳定。

只有将“设计的理想”与“损耗的现实”之间的鸿沟一一填补，才能真正突破效率瓶颈，使双管正激在实际应用中发挥其应有的性能优势。