雙向圖騰柱拓?fù)浜?jiǎn)介　　圖 1.1 顯示了僅使用 GaN 的雙向圖騰柱，它包括兩個(gè)半橋臂。一個(gè)半橋以高開(kāi)關(guān)頻率開(kāi)關(guān)，稱為高頻臂。另一個(gè)半橋以線路頻率開(kāi)關(guān)，稱為低頻臂 [1]。在 PFC 模式下，功率從電網(wǎng)獲取，在并網(wǎng)模式下，功率以接近單位功率因數(shù)饋入電網(wǎng)。

　　雙向圖騰柱
　　圖 1.1：雙向圖騰柱
　　直流側(cè) Y 型電容代表 EMI 濾波器，也可以表示 PV 板或負(fù)載的寄生電容。在這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，高頻開(kāi)關(guān)器件在 PFC 和并網(wǎng)模式兩種模式下都是硬開(kāi)關(guān)。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)卓越的效率和功率密度。新興的寬帶隙半導(dǎo)體器件可以完美匹配這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因?yàn)樗鼈兊姆聪蚧謴?fù)電荷幾乎為零。寬帶隙器件的開(kāi)關(guān)損耗相對(duì)較小，特別適合雙向圖騰柱中的 CCM 操作。由于沒(méi)有線路整流器，與傳統(tǒng) PFC 相比，圖騰柱轉(zhuǎn)換器中的傳導(dǎo)損耗也降低了。因此，全 GaN 器件的雙向圖騰柱是高效率和高功率密度應(yīng)用的首選。
　　雙向圖騰柱的應(yīng)用
　　高效服務(wù)器及電信電源
　　雙向車載電池充電器 (Bi-OBC)
　　太陽(yáng)能逆變器　　圖騰柱中接地漏電流的產(chǎn)生

　　從圖 2.1 可以清楚地看出，直流總線 Y 型電容“Cy1”和“Cy2”的中點(diǎn)接地。這意味著“Cy2”連接在直流負(fù)極端子和地之間，如圖 2.2 所示。直流負(fù)極和地之間的電壓的任何變化都會(huì)對(duì)“Cy2”進(jìn)行充電或放電 [2]。直流負(fù)極和地之間的電壓將因“G2”和“G4”的切換而發(fā)生變化。

　　帶 Y 型帽的雙向圖騰柱
　　圖 2.1：帶 Y 型電容的雙向圖騰柱　　由于電流通過(guò)“G4”的低阻抗路徑，“Cy2”的充電和放電僅通過(guò)“G4”完成。在混合 PWM 中，“G4”僅在零交叉處從 ON 轉(zhuǎn)換為 OFF 或反之亦然。在整個(gè)正半周或負(fù)半周，“G4”兩端的電壓為 VDC 或零。這意味著在正半周或負(fù)半周期間，“G4”的漏極到源極電壓沒(méi)有突變，根據(jù) (1) 中的電容電流方程，“Cy2”不會(huì)充電或放電，從而不會(huì)產(chǎn)生漏電流。在零交叉處，由于“G4”的漏極到源極電壓的突變，“Cy2”將看到突然的電壓變化，從而導(dǎo)致電流尖峰對(duì)自身進(jìn)行充電或放電，如方程 (1) 所示。iCY2=CY2×dvCY2dt(1)　

　這種現(xiàn)象只在零交叉處產(chǎn)生漏電流。漏電流會(huì)增加傳導(dǎo)和輻射電磁輻射。漏電流也會(huì)施加在線和中性電流上，并且會(huì)根據(jù)流動(dòng)方向而增加或減少，導(dǎo)致零交叉附近失真。漏電流與寄生電容或 Y 電容兩端電壓的變化率成正比。電壓變化率取決于“G4”的開(kāi)關(guān)速度，如果“G4”是 GaN，則開(kāi)關(guān)速度比任何其他半導(dǎo)體器件都快。所選的 GaN 需要 9ns 才能打開(kāi)，15.5ns 才能關(guān)閉 [3]。電壓波動(dòng)將對(duì)寄生電容或直流側(cè) Y 電容進(jìn)行充電和放電。

　　對(duì)于 PV 面板，PV 電池和接地的金屬框架之間存在寄生電容。使用混合 PWM 的接地電壓（直流負(fù)極和地面之間的電位）與“G4”的漏極到源極電壓相同，并且在過(guò)零時(shí)經(jīng)歷急劇轉(zhuǎn)變，這將對(duì)寄生電容進(jìn)行充電和放電。如果有人意外觸摸 PV 面板的表面，漏電流將流過(guò)人體（由于沒(méi)有任何其他低阻抗路徑）。如果漏電流過(guò)高，則可能導(dǎo)致電擊或人身傷害。
　　對(duì)于直流總線電容器 – 直流總線電容器上的 Y 型電容器（通常在設(shè)計(jì)中用作 EMI 濾波器）將發(fā)揮與 PV 面板中的寄生電容相同的作用。直流電源的接地電流將增加，如果此電流超過(guò)保護(hù)限值，直流電源可能會(huì)隨機(jī)跳閘并干擾雙向圖騰柱的整個(gè)運(yùn)行?！　】?G4 的雙向圖騰柱帶 Y 型電容

　　圖 2.2：跨 G4 的帶 Y 型電容的雙向圖騰柱
　　PFC 模式下的雙向圖騰柱
　　在正半周期（參見(jiàn)圖 3.1）期間 - G2 為主開(kāi)關(guān)，G1 反向?qū)?，同步整流，G4 在整個(gè)半周期內(nèi)持續(xù)導(dǎo)通。當(dāng) G2 導(dǎo)通時(shí)，差分電流路徑為“P-Ls-A-G2-G4-BN”。能量存儲(chǔ)在電感器 (Ls) 中。電容器 CDC 為負(fù)載供電?！　FC 模式下的雙向圖騰柱（正半波期間）

　　圖 3.1：PFC 模式下的雙向圖騰柱（正半波期間）
　　當(dāng) G1 處于 ON 狀態(tài)時(shí)，差分電流路徑為“P-Ls-A-G1-CDC-G4- BN”。電容器 CDC 由電網(wǎng)充電。存儲(chǔ)在電感器中的能量和來(lái)自電網(wǎng)的能量被提供給直流總線 (CDC)。在正到負(fù)轉(zhuǎn)換期間（在零交叉處）充電的 Y 型電容器“Cy2”將通過(guò) G4 快速放電，電流的返回路徑是通過(guò)地面和線路側(cè) Y 型電容器。漏電流路徑為“Cy2-G4-B-Cz2-通過(guò)地面”?！　FC 模式下的雙向圖騰柱（負(fù)半波期間）

　　圖 3.2：PFC 模式下的雙向圖騰柱
　?。ㄘ?fù)半波期間）
　　在負(fù)半周期（參見(jiàn)圖 3.2）- G1 為主開(kāi)關(guān)，G2 反向?qū)ú⑦M(jìn)行同步整流，G3 在整個(gè)半周期內(nèi)持續(xù)導(dǎo)通。當(dāng) G1 導(dǎo)通時(shí)，差分電流路徑為“PB-G3-G1-A-Ls-N”。電容器 CDC 為負(fù)載供電。能量存儲(chǔ)在電感器 (Ls) 中。當(dāng) G2 導(dǎo)通時(shí)，差分電流路徑為“PB-G3-CDC-G2-A-Ls-N”。電容器 CDC 充電。存儲(chǔ)在電感器中和來(lái)自電網(wǎng)的能量提供給直流母線。Y 電容“Cy2”將在正到負(fù)轉(zhuǎn)換期間（在零交叉處）快速充電，電流的返回路徑是通過(guò)大地。漏電流路徑為“Cz2-B-G3-CDC-Cy2-通過(guò)大地”。
　　并網(wǎng)模式下的雙向圖騰柱
　　在正半周期（參見(jiàn)圖 4.1）期間 - G1 為主開(kāi)關(guān)，G2 使用同步整流反向?qū)?，G4 在整個(gè)半周期持續(xù)導(dǎo)通。當(dāng) G1 導(dǎo)通時(shí)，差分電流路徑為“DC(+)-G1-A-Ls-PNB-G4-DC(-)”。
　　電容CDC給電網(wǎng)供電，當(dāng)G2導(dǎo)通時(shí)，電感能量通過(guò)“Ls-PNB-G4-G2-A”自由流動(dòng)，漏電流路徑與正半周的PFC模式類似。
　　在負(fù)半周期期間（參見(jiàn)圖 4.2）– G2 為主開(kāi)關(guān)，G1 使用同步整流反向?qū)?，G3 在整個(gè)半周期內(nèi)持續(xù)導(dǎo)通。當(dāng) G2 導(dǎo)通時(shí)，差分電流路徑為“DC(+)-G3-BPN-Ls-A-G2-DC(-)”。電容器 CDC 為電網(wǎng)供電。當(dāng) G1 導(dǎo)通時(shí)，電感器將通過(guò)“Ls-A-G1-G3-BP”續(xù)流。漏電流路徑類似于負(fù)半周期中的 PFC 模式。
　　如果沒(méi)有交流側(cè) Y 型電容，對(duì)地漏電流將繼續(xù)流動(dòng)，并通過(guò)接地的交流側(cè)中性線找到另一條路徑，如圖 4.3 和 4.4 所示。
　　并網(wǎng)模式下雙向圖騰柱的仿真結(jié)果
　　圖 1.1 的電路在并網(wǎng)模式下進(jìn)行仿真，以確定漏電電流的路徑。參考電網(wǎng)電壓，可以看出僅在過(guò)零處觀察到漏電電流。
　　從模擬結(jié)果中可以清楚地看出，流過(guò)交流側(cè) Y 電容“Cz2”的電流與流過(guò)直流側(cè) Y 電容“Cy2”的電流相同。模擬結(jié)果還顯示，“Cy2”兩端的電壓僅在“G4”從 ON 變?yōu)?OFF 或反之時(shí)才會(huì)改變狀態(tài)，并且該電壓與“G4”的漏極至源極電壓相同?！　〔⒕W(wǎng)模式下的雙向圖騰柱（正半波期間）

　　圖 4.1：并網(wǎng)模式下的雙向圖騰柱
　?。ㄕ氩ㄆ陂g）　　并網(wǎng)模式下的雙向圖騰柱（負(fù)半波期間）

　　圖 4.2：并網(wǎng)模式下的雙向圖騰柱
　?。ㄘ?fù)半波期間）　　在沒(méi)有交流側(cè) Y 型電容的情況下的接地漏電流路徑（負(fù)極到正極的轉(zhuǎn)換）

　　圖 4.3：無(wú)交流側(cè) Y 型電容時(shí)的接地漏電流路徑
　　（負(fù)極至正極的轉(zhuǎn)換）　　在沒(méi)有交流側(cè) Y 型電容的情況下的接地漏電流路徑（正極到負(fù)極的轉(zhuǎn)換）

　　圖 4.4：無(wú)交流側(cè) Y 型電容時(shí)的接地漏電流路徑
　?。ㄕ龢O到負(fù)極的轉(zhuǎn)換）
　　并網(wǎng)模式下雙向圖騰柱的硬件結(jié)果
　　圖 1.1 中的電路被構(gòu)建并作為并網(wǎng)逆變器運(yùn)行，以驗(yàn)證模擬結(jié)果。圖 6.1 中可以看到與圖 5.1 類似的零交叉處的尖銳電流脈沖。尖銳脈沖是接地電壓突然變化的結(jié)果，該變化對(duì)“Cy2”進(jìn)行充電或放電，與模擬結(jié)果相符?！　‰娋W(wǎng)并網(wǎng)模式下使用混合 PWM 的仿真結(jié)果

　　圖 5.1：并網(wǎng)模式下使用混合 PWM 的仿真結(jié)果　　直流電源接地電流實(shí)驗(yàn)

　　圖6.1：直流電源實(shí)驗(yàn)接地電流
　　結(jié)論
　　本文闡述了漏電流產(chǎn)生的根本原因及其路徑，漏電流在線路頻率下具有尖銳的邊緣，由于漏電流通過(guò)大地找到返回路徑，因此會(huì)干擾可編程直流電源或負(fù)載的漏電流保護(hù)，導(dǎo)致該設(shè)備發(fā)生故障，并危及人身安全。