1. 前言

由于電力電子、數(shù)位控制及電池技術(shù)的進(jìn)步，促使再生能源、儲(chǔ)能系統(tǒng)及新能源應(yīng)用等產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。例如 : 電動(dòng)汽車的電能系統(tǒng)、對(duì)電力系統(tǒng)用電進(jìn)行削峰填谷和調(diào)節(jié)電力的儲(chǔ)能系統(tǒng)、應(yīng)急電源及可攜式行動(dòng)電源 … 等。這些設(shè)備都需要雙向電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)在電力系統(tǒng)與電池系統(tǒng)間進(jìn)行電力交換，典型應(yīng)用如下圖 1 所示。

圖 1. 雙向電力傳輸系統(tǒng)典型應(yīng)用


雙向電力轉(zhuǎn)換架構(gòu)眾多，可以分為 Bidirectional AC-DC & Bidirectional DC-DC Converter。Bidirectional AC-DC Converter 依功率大小應(yīng)用有單相與三相架構(gòu)。本文將針對(duì)常見之單相雙向 AC-DC 轉(zhuǎn)換架構(gòu)及工作方式進(jìn)行介紹。

2.單相雙向 AC-DC Converter 架構(gòu)介紹

單相 PFC 與單相 Inverter 的架構(gòu)有很多種，雙向功能需同時(shí)包含 PFC ( AC-DC ) 與 Inverter ( DC-AC ) 的功能，目前最常使用的硬體架構(gòu)為 Full Bridge 架構(gòu)，電路如下圖 2 所示。

圖 2 : Single Phase Bidirectional AC–DC Converter

2.1 單相 AC-DC Converter 介紹

當(dāng)作為 AC-DC Converter ( PFC ) 使用時(shí)，依動(dòng)作方式可以分為全橋整流 PFC 模式及 Totem Pole PFC 模式。
全橋整流 PFC 模式的動(dòng)作方式如圖 3 所示，由 Q1、Q4 與 Q2、Q3 兩對(duì)開關(guān)交互高頻切換。AC input 正半周時(shí)，Q2、Q3 導(dǎo)通及 Q1、Q4 關(guān)閉為電感儲(chǔ)能區(qū)間，Q1、Q4 導(dǎo)通及 Q2、Q3 關(guān)閉為電感泄能區(qū)間，此階段電感電壓方程式如下 :

AC input 負(fù)半周時(shí)，Q1、Q4 導(dǎo)通及 Q2、Q3 關(guān)閉為電感儲(chǔ)能區(qū)間，Q2、Q3 導(dǎo)通及 Q1、Q4 關(guān)閉為電感泄能區(qū)間，此階段電感電壓方程式如下 ( 負(fù)半周時(shí)VAC 為負(fù)值 ) :

Totem Pole PFC 模式為近年最常用的 Bridgeless PFC 架構(gòu)，動(dòng)作方式如下圖 4 所示，控制 2 個(gè)高頻切換開關(guān) Q1 與 Q2 及 2 個(gè)低頻整流開關(guān) Q3 與 Q4。AC input 正半周時(shí)，Q2、Q4 導(dǎo)通及 Q1、Q3 關(guān)閉為電感儲(chǔ)能區(qū)間，Q1、Q4 導(dǎo)通及 Q2、Q3 關(guān)閉為電感泄能區(qū)間，此階段電感電壓方程式如下 :

AC input 負(fù)半周時(shí)，Q1、Q3 導(dǎo)通及 Q2、Q4 關(guān)閉為電感儲(chǔ)能區(qū)間，Q2、Q3 導(dǎo)通及 Q1、Q4 關(guān)閉為電感泄能區(qū)間，此階段電感電壓方程式如下 ( 負(fù)半周時(shí)VAC為負(fù)值 ) :

由以上全橋整流 PFC 模式及 Totem Pole PFC 模式動(dòng)作分析可以發(fā)現(xiàn)以下 2 點(diǎn) :

( 1 ) 全橋整流 PFC 模式是 4 個(gè)開關(guān)都是高頻切換，Totem Pole PFC 模式只有 2 個(gè)開關(guān)是高頻切換，因此 Totem Pole PFC 模式切換損失較全橋整流 PFC 模式小。

( 2 ) 全橋整流 PFC 模式電感儲(chǔ)能時(shí)的電壓是 |VAC|+VDC ，Totem Pole PFC 模式電感儲(chǔ)能時(shí)的電壓是 VAC。以相同感量比較，全橋整流 PFC 模式電感儲(chǔ)能電流斜

率較大。

( 3 ) 全橋整流 PFC 模式 AC input 的負(fù)端 ( 連接到 Q3、Q4 中間 )，以高頻切換頻率在 VDC的正與負(fù)間跳動(dòng)，故 EMI 較差。

2.2 單相 DC-AC Inverter 介紹

相較于 AC-DC PFC 動(dòng)作方式，DC-AC inverter 依動(dòng)作方式亦可分為 Bipolar PWM 與 Unipolar PWM 兩種。Bipolar PWM 動(dòng)作方式及波形如下圖 5、6 所示，動(dòng)作方式為控制 Q1、Q4 與 Q2、Q3 開關(guān)交互高頻切換，經(jīng)電感與電容濾波輸出交流電流與電壓。由于 VAB電壓在一個(gè)切換周期由 +VDC到 -VDC間變化，故稱為Bipolar PWM 模式。

AC output 正半周時(shí)，Q1、Q4 導(dǎo)通及 Q2、Q3 關(guān)閉為電感儲(chǔ)能區(qū)間，Q2、Q3 導(dǎo)通及 Q1、Q4 關(guān)閉為電感泄能區(qū)間，此階段電感電壓方程式如下 :

AC output 負(fù)半周時(shí)，Q2、Q3 導(dǎo)通及 Q1、Q4 關(guān)閉為電感儲(chǔ)能區(qū)間，Q1、Q4 導(dǎo)通及 Q2、Q3 關(guān)閉為電感泄能區(qū)間，此階段電感電壓方程式如下 ( 負(fù)半周時(shí)VAC 為負(fù)值 ) :

Unipolar PWM 動(dòng)作方式如下圖 7 所示，控制 2 個(gè)高頻切換開關(guān) Q1 與 Q2 及 2 個(gè)低頻整流開關(guān) Q3 與 Q4，經(jīng)電感與電容濾波輸出交流電流與電壓。由于 VAB電壓在一個(gè)切換周期由 +VDC到 0 ( AC 正半周 ) 及 0 到 -VDC 間 ( AC 負(fù)半周 ) 變化，故稱為 Unipolar PWM 模式。

AC output 正半周時(shí)，Q1、Q4 導(dǎo)通及 Q2、Q3 關(guān)閉為電感儲(chǔ)能區(qū)間，Q2、Q4 導(dǎo)通及 Q1、Q3 關(guān)閉為電感泄能區(qū)間，此階段電感電壓方程式如下 :

AC output 負(fù)半周時(shí)，Q2、Q3 導(dǎo)通及 Q1、Q4 關(guān)閉為電感儲(chǔ)能區(qū)間，Q1、Q3 導(dǎo)通及 Q2、Q4 關(guān)閉為電感泄能區(qū)間，此階段電感電壓方程式如下 ( 負(fù)半周時(shí)VAC 為負(fù)值 ) :

由以上 Bipolar PWM DC-AC inverter 及 Unipolar PWM DC-AC inverter 模式動(dòng)作分析可以發(fā)現(xiàn)以下2點(diǎn) :

( 1 ) Bipolar PWM 模式是4個(gè)開關(guān)都是高頻切換，Unipolar PWM 模式只有 2 個(gè)開關(guān)是高頻切換，因此 Unipolar PWM 模式切換損失較 Bipolar PWM DC-AC
inverter 小。

( 2 ) Bipolar PWM 模式電感泄能時(shí)的電感電壓壓是 |VAC|+VDC，Unipolar PWM 模式電感泄能時(shí)的電感電壓是 VAC。以相同感量比較，Bipolar PWM 模式電感泄能
電流斜率較大。

3. 結(jié)論

單相雙向 AC-DC 轉(zhuǎn)換架構(gòu)功能包含 AC-DC converter 及 DC-AC inverter。依控制動(dòng)作方式不同 AC-DC converter 可以分為全橋整流 PFC 及 Totem Pole PFC ;DC-AC inverter 可以分為Bipolar PWM 及 Unipolar PWM 兩種方法。全橋整流 PFC 及 Bipolar PWM DC-AC inverter 之 PWM 模組動(dòng)作較簡(jiǎn)單，但切換損失較大，儲(chǔ)能電感斜率也較大。

Totem Pole PFC 及 Unipolar PWM DC-AC inverter 因只有2個(gè)高頻切換開關(guān)，效率較高。近年因第三類半導(dǎo)體 SiC ( 注 1 ) & GaN 高頻且低切換損失的特性，常用于 2 個(gè)高頻切換開關(guān)，使得效率進(jìn)一步得到提升。

因雙向架構(gòu)控制較復(fù)雜，需要同時(shí)擁有 AC-DC converter 及 DC-AC inverter 控制器，并判斷決定正向或反向功率轉(zhuǎn)換控制，一般沒有 Analog Control IC 可以使用，必須使用 Digital Controller ( 注 2 ) 來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制系統(tǒng)。

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

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