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采用宽带隙器件的双向图腾柱转换器中的接地漏电流
接线图
2024年10月20日 19:22 24
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双向图腾柱拓扑简介
图 1.1：双向图腾柱
直流侧 Y 型电容代表 EMI 滤波器，也可以表示 PV 板或负载的寄生电容。在这种拓扑结构中，高频开关器件在 PFC 和并网模式两种模式下都是硬开关。这种拓扑结构可实现卓越的效率和功率密度。新兴的宽带隙半导体器件可以完美匹配这种拓扑结构，因为它们的反向恢复电荷几乎为零。宽带隙器件的开关损耗相对较小，特别适合双向图腾柱中的 CCM 操作。由于没有线路整流器，与传统 PFC 相比，图腾柱转换器中的传导损耗也降低了。因此，全 GaN 器件的双向图腾柱是高效率和高功率密度应用的首选。
双向图腾柱的应用
高效服务器及电信电源
双向车载电池充电器 (Bi-OBC)
太阳能逆变器
图 2.1：带 Y 型电容的双向图腾柱
对于直流总线电容器 – 直流总线电容器上的 Y 型电容器（通常在设计中用作 EMI 滤波器）将发挥与 PV 面板中的寄生电容相同的作用。直流电源的接地电流将增加，如果此电流超过保护限值，直流电源可能会随机跳闸并干扰双向图腾柱的整个运行。
PFC 模式下的双向图腾柱
在正半周期（参见图 3.1）期间 - G2 为主开关，G1 反向导通，同步整流，G4 在整个半周期内持续导通。当 G2 导通时，差分电流路径为“P-Ls-A-G2-G4-BN”。能量存储在电感器 (Ls) 中。电容器 CDC 为负载供电。
当 G1 处于 ON 状态时，差分电流路径为“P-Ls-A-G1-CDC-G4- BN”。电容器 CDC 由电网充电。存储在电感器中的能量和来自电网的能量被提供给直流总线 (CDC)。在正到负转换期间（在零交叉处）充电的 Y 型电容器“Cy2”将通过 G4 快速放电，电流的返回路径是通过地面和线路侧 Y 型电容器。漏电流路径为“Cy2-G4-B-Cz2-通过地面”。
（负半波期间）
在负半周期（参见图 3.2）- G1 为主开关，G2 反向导通并进行同步整流，G3 在整个半周期内持续导通。当 G1 导通时，差分电流路径为“PB-G3-G1-A-Ls-N”。电容器 CDC 为负载供电。能量存储在电感器 (Ls) 中。当 G2 导通时，差分电流路径为“PB-G3-CDC-G2-A-Ls-N”。电容器 CDC 充电。存储在电感器中和来自电网的能量提供给直流母线。Y 电容“Cy2”将在正到负转换期间（在零交叉处）快速充电，电流的返回路径是通过大地。漏电流路径为“Cz2-B-G3-CDC-Cy2-通过大地”。
并网模式下的双向图腾柱
在正半周期（参见图 4.1）期间 - G1 为主开关，G2 使用同步整流反向导通，G4 在整个半周期持续导通。当 G1 导通时，差分电流路径为“DC(+)-G1-A-Ls-PNB-G4-DC(-)”。
电容CDC给电网供电，当G2导通时，电感能量通过“Ls-PNB-G4-G2-A”自由流动，漏电流路径与正半周的PFC模式类似。
在负半周期期间（参见图 4.2）– G2 为主开关，G1 使用同步整流反向导通，G3 在整个半周期内持续导通。当 G2 导通时，差分电流路径为“DC(+)-G3-BPN-Ls-A-G2-DC(-)”。电容器 CDC 为电网供电。当 G1 导通时，电感器将通过“Ls-A-G1-G3-BP”续流。漏电流路径类似于负半周期中的 PFC 模式。
如果没有交流侧 Y 型电容，对地漏电流将继续流动，并通过接地的交流侧中性线找到另一条路径，如图 4.3 和 4.4 所示。
并网模式下双向图腾柱的仿真结果
图 1.1 的电路在并网模式下进行仿真，以确定漏电电流的路径。参考电网电压，可以看出仅在过零处观察到漏电电流。
从模拟结果中可以清楚地看出，流过交流侧 Y 电容“Cz2”的电流与流过直流侧 Y 电容“Cy2”的电流相同。模拟结果还显示，“Cy2”两端的电压仅在“G4”从 ON 变为 OFF 或反之时才会改变状态，并且该电压与“G4”的漏极至源极电压相同。
（正半波期间）
（负半波期间）
（负极至正极的转换）
（正极到负极的转换）
并网模式下双向图腾柱的硬件结果
图 1.1 中的电路被构建并作为并网逆变器运行，以验证模拟结果。图 6.1 中可以看到与图 5.1 类似的零交叉处的尖锐电流脉冲。尖锐脉冲是接地电压突然变化的结果，该变化对“Cy2”进行充电或放电，与模拟结果相符。
结论
本文阐述了漏电流产生的根本原因及其路径，漏电流在线路频率下具有尖锐的边缘，由于漏电流通过大地找到返回路径，因此会干扰可编程直流电源或负载的漏电流保护，导致该设备发生故障，并危及人身安全。
图 1.1 显示了仅使用 GaN 的双向图腾柱，它包括两个半桥臂。一个半桥以高开关频率开关，称为高频臂。另一个半桥以线路频率开关，称为低频臂 [1]。在 PFC 模式下，功率从电网获取，在并网模式下，功率以接近单位功率因数馈入电网。
图 1.1：双向图腾柱
直流侧 Y 型电容代表 EMI 滤波器，也可以表示 PV 板或负载的寄生电容。在这种拓扑结构中，高频开关器件在 PFC 和并网模式两种模式下都是硬开关。这种拓扑结构可实现卓越的效率和功率密度。新兴的宽带隙半导体器件可以完美匹配这种拓扑结构，因为它们的反向恢复电荷几乎为零。宽带隙器件的开关损耗相对较小，特别适合双向图腾柱中的 CCM 操作。由于没有线路整流器，与传统 PFC 相比，图腾柱转换器中的传导损耗也降低了。因此，全 GaN 器件的双向图腾柱是高效率和高功率密度应用的首选。
双向图腾柱的应用
高效服务器及电信电源
双向车载电池充电器 (Bi-OBC)
太阳能逆变器
图腾柱中接地漏电流的产生
从图 2.1 可以清楚地看出，直流总线 Y 型电容“Cy1”和“Cy2”的中点接地。这意味着“Cy2”连接在直流负极端子和地之间，如图 2.2 所示。直流负极和地之间的电压的任何变化都会对“Cy2”进行充电或放电 [2]。直流负极和地之间的电压将因“G2”和“G4”的切换而发生变化。
图 2.1：带 Y 型电容的双向图腾柱
由于电流通过“G4”的低阻抗路径，“Cy2”的充电和放电仅通过“G4”完成。在混合 PWM 中，“G4”仅在零交叉处从 ON 转换为 OFF 或反之亦然。在整个正半周或负半周，“G4”两端的电压为 VDC 或零。这意味着在正半周或负半周期间，“G4”的漏极到源极电压没有突变，根据 (1) 中的电容电流方程，“Cy2”不会充电或放电，从而不会产生漏电流。在零交叉处，由于“G4”的漏极到源极电压的突变，“Cy2”将看到突然的电压变化，从而导致电流尖峰对自身进行充电或放电，如方程 (1) 所示。iCY2=CY2×dvCY2dt(1)
这种现象只在零交叉处产生漏电流。漏电流会增加传导和辐射电磁辐射。漏电流也会施加在线和中性电流上，并且会根据流动方向而增加或减少，导致零交叉附近失真。漏电流与寄生电容或 Y 电容两端电压的变化率成正比。电压变化率取决于“G4”的开关速度，如果“G4”是 GaN，则开关速度比任何其他半导体器件都快。所选的 GaN 需要 9ns 才能打开，15.5ns 才能关闭 [3]。电压波动将对寄生电容或直流侧 Y 电容进行充电和放电。
对于 PV 面板，PV 电池和接地的金属框架之间存在寄生电容。使用混合 PWM 的接地电压（直流负极和地面之间的电位）与“G4”的漏极到源极电压相同，并且在过零时经历急剧转变，这将对寄生电容进行充电和放电。如果有人意外触摸 PV 面板的表面，漏电流将流过人体（由于没有任何其他低阻抗路径）。如果漏电流过高，则可能导致电击或人身伤害。对于直流总线电容器 – 直流总线电容器上的 Y 型电容器（通常在设计中用作 EMI 滤波器）将发挥与 PV 面板中的寄生电容相同的作用。直流电源的接地电流将增加，如果此电流超过保护限值，直流电源可能会随机跳闸并干扰双向图腾柱的整个运行。
跨 G4 的双向图腾柱带 Y 型电容
PFC 模式下的双向图腾柱
在正半周期（参见图 3.1）期间 - G2 为主开关，G1 反向导通，同步整流，G4 在整个半周期内持续导通。当 G2 导通时，差分电流路径为“P-Ls-A-G2-G4-BN”。能量存储在电感器 (Ls) 中。电容器 CDC 为负载供电。
PFC 模式下的双向图腾柱（正半波期间）
当 G1 处于 ON 状态时，差分电流路径为“P-Ls-A-G1-CDC-G4- BN”。电容器 CDC 由电网充电。存储在电感器中的能量和来自电网的能量被提供给直流总线 (CDC)。在正到负转换期间（在零交叉处）充电的 Y 型电容器“Cy2”将通过 G4 快速放电，电流的返回路径是通过地面和线路侧 Y 型电容器。漏电流路径为“Cy2-G4-B-Cz2-通过地面”。
PFC 模式下的双向图腾柱（负半波期间）
（负半波期间）
在负半周期（参见图 3.2）- G1 为主开关，G2 反向导通并进行同步整流，G3 在整个半周期内持续导通。当 G1 导通时，差分电流路径为“PB-G3-G1-A-Ls-N”。电容器 CDC 为负载供电。能量存储在电感器 (Ls) 中。当 G2 导通时，差分电流路径为“PB-G3-CDC-G2-A-Ls-N”。电容器 CDC 充电。存储在电感器中和来自电网的能量提供给直流母线。Y 电容“Cy2”将在正到负转换期间（在零交叉处）快速充电，电流的返回路径是通过大地。漏电流路径为“Cz2-B-G3-CDC-Cy2-通过大地”。
并网模式下的双向图腾柱
在正半周期（参见图 4.1）期间 - G1 为主开关，G2 使用同步整流反向导通，G4 在整个半周期持续导通。当 G1 导通时，差分电流路径为“DC(+)-G1-A-Ls-PNB-G4-DC(-)”。
电容CDC给电网供电，当G2导通时，电感能量通过“Ls-PNB-G4-G2-A”自由流动，漏电流路径与正半周的PFC模式类似。
在负半周期期间（参见图 4.2）– G2 为主开关，G1 使用同步整流反向导通，G3 在整个半周期内持续导通。当 G2 导通时，差分电流路径为“DC(+)-G3-BPN-Ls-A-G2-DC(-)”。电容器 CDC 为电网供电。当 G1 导通时，电感器将通过“Ls-A-G1-G3-BP”续流。漏电流路径类似于负半周期中的 PFC 模式。
如果没有交流侧 Y 型电容，对地漏电流将继续流动，并通过接地的交流侧中性线找到另一条路径，如图 4.3 和 4.4 所示。
并网模式下双向图腾柱的仿真结果
图 1.1 的电路在并网模式下进行仿真，以确定漏电电流的路径。参考电网电压，可以看出仅在过零处观察到漏电电流。
从模拟结果中可以清楚地看出，流过交流侧 Y 电容“Cz2”的电流与流过直流侧 Y 电容“Cy2”的电流相同。模拟结果还显示，“Cy2”两端的电压仅在“G4”从 ON 变为 OFF 或反之时才会改变状态，并且该电压与“G4”的漏极至源极电压相同。
并网模式下的双向图腾柱（正半波期间）
（正半波期间）
并网模式下的双向图腾柱（负半波期间）
（负半波期间）
在没有交流侧 Y 型电容的情况下的接地漏电流路径（负极到正极的转换）
（负极至正极的转换）
在没有交流侧 Y 型电容的情况下的接地漏电流路径（正极到负极的转换）
（正极到负极的转换）
并网模式下双向图腾柱的硬件结果
图 1.1 中的电路被构建并作为并网逆变器运行，以验证模拟结果。图 6.1 中可以看到与图 5.1 类似的零交叉处的尖锐电流脉冲。尖锐脉冲是接地电压突然变化的结果，该变化对“Cy2”进行充电或放电，与模拟结果相符。
电网并网模式下使用混合 PWM 的仿真结果
直流电源接地电流实验
结论
本文阐述了漏电流产生的根本原因及其路径，漏电流在线路频率下具有尖锐的边缘，由于漏电流通过大地找到返回路径，因此会干扰可编程直流电源或负载的漏电流保护，导致该设备发生故障，并危及人身安全。
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