单相双向 AC-DC 转换器介绍

1. 前言
       
       由于电力电子、数位控制及电池技术的进步，促使再生能源、储能系统及新能源应用等产业的蓬勃发展。例如 : 电动汽车的电能系统、对电力系统用电进行削峰填谷和调节电力的储能系统、应急电源及可携式行动电源 … 等。这些设备都需要双向电力转换系统在电力系统与电池系统间进行电力交换，典型应用如下图 1 所示。


 

                                                                                                                   图 1. 双向电力传输系统典型应用


双向电力转换架构众多，可以分为 Bidirectional AC-DC & Bidirectional DC-DC Converter。Bidirectional AC-DC Converter 依功率大小应用有单相与三相架构。本文将针对常见之单相双向 AC-DC 转换架构及工作方式进行介绍。

2. 单相双向 AC-DC Converter 架构介绍

       单相 PFC 与单相 Inverter 的架构有很多种，双向功能需同时包含 PFC ( AC-DC ) 与 Inverter ( DC-AC ) 的功能，目前最常使用的硬体架构为 Full Bridge 架构，电路如下图 2 所示。


 

                                                                              图 2 : Single Phase Bidirectional AC–DC Converter
  

    2.1 单相 AC-DC Converter 介绍

           当作为 AC-DC Converter ( PFC ) 使用时，依动作方式可以分为全桥整流 PFC 模式及 Totem Pole PFC 模式。
           全桥整流 PFC 模式的动作方式如图 3 所示，由 Q1、Q4 与 Q2、Q3 两对开关交互高频切换。AC input 正半周时，Q2、Q3 导通及 Q1、Q4 关闭为电感储能区间，Q1、Q4 导通及 Q2、Q3 关闭为电感泄能区间，此阶段电感电压方程式如下 :

                                                                               

                                                                                

            AC input 负半周时，Q1、Q4 导通及 Q2、Q3 关闭为电感储能区间，Q2、Q3 导通及 Q1、Q4 关闭为电感泄能区间，此阶段电感电压方程式如下 ( 负半周时 VAC 为负值 ) :

                                                                               

                                                                               

    

                Totem Pole PFC 模式为近年最常用的 Bridgeless PFC 架构，动作方式如下图 4 所示，控制 2 个高频切换开关 Q1 与 Q2 及 2 个低频整流开关 Q3 与 Q4。AC input 正半周时，Q2、Q4 导通及 Q1、Q3 关闭为电感储能区间，Q1、Q4 导通及 Q2、Q3 关闭为电感泄能区间，此阶段电感电压方程式如下 :

                                                                                  

                AC input 负半周时，Q1、Q3 导通及 Q2、Q4 关闭为电感储能区间，Q2、Q3 导通及 Q1、Q4 关闭为电感泄能区间，此阶段电感电压方程式如下 ( 负半周时VAC 为负值 ) :

                                                                                  

        

 

        由以上全桥整流 PFC 模式及 Totem Pole PFC 模式动作分析可以发现以下 2 点 :

        ( 1 ) 全桥整流 PFC 模式是 4 个开关都是高频切换，Totem Pole PFC 模式只有 2 个开关是高频切换，因此 Totem Pole PFC 模式切换损失较全桥整流 PFC 模式小。

        ( 2 ) 全桥整流 PFC 模式电感储能时的电压是 |VAC|+VDC ，Totem Pole PFC 模式电感储能时的电压是 VAC。以相同感量比较，全桥整流 PFC 模式电感储能电流斜

               率较大。

 

        ( 3 ) 全桥整流 PFC 模式 AC input 的负端 ( 连接到 Q3、Q4 中间 )，以高频切换频率在 VDC 的正与负间跳动，故 EMI 较差。

 

    2.2 单相 DC-AC Inverter 介绍

            相较于 AC-DC PFC 动作方式，DC-AC inverter 依动作方式亦可分为 Bipolar PWM 与 Unipolar PWM 两种。Bipolar PWM 动作方式及波形如下图 5、6 所示，动作方式为控制 Q1、Q4 与 Q2、Q3 开关交互高频切换，经电感与电容滤波输出交流电流与电压。由于 VAB 电压在一个切换周期由 +VDC 到 -VDC 间变化，故称为Bipolar PWM 模式。

            AC output 正半周时，Q1、Q4 导通及 Q2、Q3 关闭为电感储能区间，Q2、Q3 导通及 Q1、Q4 关闭为电感泄能区间，此阶段电感电压方程式如下 :

                                                                                   

            AC output 负半周时，Q2、Q3 导通及 Q1、Q4 关闭为电感储能区间，Q1、Q4 导通及 Q2、Q3 关闭为电感泄能区间，此阶段电感电压方程式如下 ( 负半周时 VAC 为负值 ) :

                                                                                  

        

                                     

 

            Unipolar PWM 动作方式如下图 7 所示，控制 2 个高频切换开关 Q1 与 Q2 及 2 个低频整流开关 Q3 与 Q4，经电感与电容滤波输出交流电流与电压。由于 VAB 电压在一个切换周期由 +VDC 到 0 ( AC 正半周 ) 及 0 到 -VDC 间 ( AC 负半周 ) 变化，故称为 Unipolar PWM 模式。

            AC output 正半周时，Q1、Q4 导通及 Q2、Q3 关闭为电感储能区间，Q2、Q4 导通及 Q1、Q3 关闭为电感泄能区间，此阶段电感电压方程式如下 :
                   
                                                                                     

            AC output 负半周时，Q2、Q3 导通及 Q1、Q4 关闭为电感储能区间，Q1、Q3 导通及 Q2、Q4 关闭为电感泄能区间，此阶段电感电压方程式如下 ( 负半周时 VAC 为负值 ) :

                                                                                     

        

                                                         

        由以上 Bipolar PWM DC-AC inverter 及 Unipolar PWM DC-AC inverter 模式动作分析可以发现以下2点 :
 

        ( 1 ) Bipolar PWM 模式是4个开关都是高频切换，Unipolar PWM 模式只有 2 个开关是高频切换，因此 Unipolar PWM 模式切换损失较 Bipolar PWM DC-AC
               inverter 小。

        ( 2 ) Bipolar PWM 模式电感泄能时的电感电压压是 |VAC|+VDC，Unipolar PWM 模式电感泄能时的电感电压是 VAC。以相同感量比较，Bipolar PWM 模式电感泄能
               电流斜率较大。

3. 结论  
 

       
        单相双向 AC-DC 转换架构功能包含 AC-DC converter 及 DC-AC inverter。依控制动作方式不同 AC-DC converter 可以分为全桥整流 PFC 及 Totem Pole PFC ;DC-AC inverter 可以分为Bipolar PWM 及 Unipolar PWM 两种方法。全桥整流 PFC 及 Bipolar PWM DC-AC inverter 之 PWM 模组动作较简单，但切换损失较大，储能电感斜率也较大。

       Totem Pole PFC 及 Unipolar PWM DC-AC inverter 因只有2个高频切换开关，效率较高。近年因第三类半导体 SiC ( 注 1 ) & GaN 高频且低切换损失的特性，常用于 2 个高频切换开关，使得效率进一步得到提升。

       因双向架构控制较复杂，需要同时拥有 AC-DC converter 及 DC-AC inverter 控制器，并判断决定正向或反向功率转换控制，一般没有 Analog Control IC 可以使用，必须使用 Digital Controller ( 注 2 ) 来实现复杂的控制系统。

注 1 : SiC Device 可参考 onsemi SiC MOSFET、SiC MOSFET Diode、SiC Moudles
注 2 : Digital Controller 可参考 NXP 56800EX DSCs ( 32-bit Digital Signal Controllers ( DSC ) ) 系列

 

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