單相雙向 AC-DC 轉換器介紹

1. 前言

由于電力電子、數(shù)位控制及電池技術的進步，促使再生能源、儲能系統(tǒng)及新能源應用等產業(yè)的蓬勃發(fā)展。例如 : 電動汽車的電能系統(tǒng)、對電力系統(tǒng)用電進行削峰填谷和調節(jié)電力的儲能系統(tǒng)、應急電源及可攜式行動電源 … 等。這些設備都需要雙向電力轉換系統(tǒng)在電力系統(tǒng)與電池系統(tǒng)間進行電力交換，典型應用如下圖 1 所示。

圖 1. 雙向電力傳輸系統(tǒng)典型應用


雙向電力轉換架構眾多，可以分為 Bidirectional AC-DC & Bidirectional DC-DC Converter。Bidirectional AC-DC Converter 依功率大小應用有單相與三相架構。本文將針對常見之單相雙向 AC-DC 轉換架構及工作方式進行介紹。

2.單相雙向 AC-DC Converter 架構介紹

單相 PFC 與單相 Inverter 的架構有很多種，雙向功能需同時包含 PFC ( AC-DC ) 與 Inverter ( DC-AC ) 的功能，目前最常使用的硬體架構為 Full Bridge 架構，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

當作為 AC-DC Converter ( PFC ) 使用時，依動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 模式的動作方式如圖 3 所示，由 Q1、Q4 與 Q2、Q3 兩對開關交互高頻切換。AC input 正半周時，Q2、Q3 導通及 Q1、Q4 關閉為電感儲能區(qū)間，Q1、Q4 導通及 Q2、Q3 關閉為電感泄能區(qū)間，此階段電感電壓方程式如下 :

AC input 負半周時，Q1、Q4 導通及 Q2、Q3 關閉為電感儲能區(qū)間，Q2、Q3 導通及 Q1、Q4 關閉為電感泄能區(qū)間，此階段電感電壓方程式如下 ( 負半周時VAC 為負值 ) :

Totem Pole PFC 模式為近年最常用的 Bridgeless PFC 架構，動作方式如下圖 4 所示，控制 2 個高頻切換開關 Q1 與 Q2 及 2 個低頻整流開關 Q3 與 Q4。AC input 正半周時，Q2、Q4 導通及 Q1、Q3 關閉為電感儲能區(qū)間，Q1、Q4 導通及 Q2、Q3 關閉為電感泄能區(qū)間，此階段電感電壓方程式如下 :

AC input 負半周時，Q1、Q3 導通及 Q2、Q4 關閉為電感儲能區(qū)間，Q2、Q3 導通及 Q1、Q4 關閉為電感泄能區(qū)間，此階段電感電壓方程式如下 ( 負半周時VAC為負值 ) :

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

( 1 ) 全橋整流 PFC 模式是 4 個開關都是高頻切換，Totem Pole PFC 模式只有 2 個開關是高頻切換，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 模式電感儲能時的電壓是 |VAC|+VDC ，Totem Pole PFC 模式電感儲能時的電壓是 VAC。以相同感量比較，全橋整流 PFC 模式電感儲能電流斜

率較大。

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

2.2 單相 DC-AC Inverter 介紹

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

AC output 正半周時，Q1、Q4 導通及 Q2、Q3 關閉為電感儲能區(qū)間，Q2、Q3 導通及 Q1、Q4 關閉為電感泄能區(qū)間，此階段電感電壓方程式如下 :

AC output 負半周時，Q2、Q3 導通及 Q1、Q4 關閉為電感儲能區(qū)間，Q1、Q4 導通及 Q2、Q3 關閉為電感泄能區(qū)間，此階段電感電壓方程式如下 ( 負半周時VAC 為負值 ) :

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

AC output 正半周時，Q1、Q4 導通及 Q2、Q3 關閉為電感儲能區(qū)間，Q2、Q4 導通及 Q1、Q3 關閉為電感泄能區(qū)間，此階段電感電壓方程式如下 :

AC output 負半周時，Q2、Q3 導通及 Q1、Q4 關閉為電感儲能區(qū)間，Q1、Q3 導通及 Q2、Q4 關閉為電感泄能區(qū)間，此階段電感電壓方程式如下 ( 負半周時VAC 為負值 ) :

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

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

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

3. 結論

單相雙向 AC-DC 轉換架構功能包含 AC-DC converter 及 DC-AC inverter。依控制動作方式不同 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 模組動作較簡單，但切換損失較大，儲能電感斜率也較大。

Totem Pole PFC 及 Unipolar PWM DC-AC inverter 因只有2個高頻切換開關，效率較高。近年因第三類半導體 SiC ( 注 1 ) & GaN 高頻且低切換損失的特性，常用于 2 個高頻切換開關，使得效率進一步得到提升。

因雙向架構控制較復雜，需要同時擁有 AC-DC converter 及 DC-AC inverter 控制器，并判斷決定正向或反向功率轉換控制，一般沒有 Analog Control IC 可以使用，必須使用 Digital Controller ( 注 2 ) 來實現(xiàn)復雜的控制系統(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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