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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
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。
双向图腾柱图 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。
带 Y 型帽的双向图腾柱图 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
图 2.2:跨 G4 的带 Y 型电容的双向图腾柱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)
图 3.1: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)
图 3.2:PFC 模式下的双向图腾柱(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)
图 4.1:并网模式下的双向图腾柱(正半波期间)
并网模式下的双向图腾柱(负半波期间)
图 4.2:并网模式下的双向图腾柱(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)
图 4.3:无交流侧 Y 型电容时的接地漏电流路径(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)
图 4.4:无交流侧 Y 型电容时的接地漏电流路径(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
图 5.1: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
图6.1:直流电源实验接地电流结论
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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