在國(guó)內(nèi)落實(shí)“雙碳”目標(biāo)的重要背景下，我國(guó)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整與新型電力系統(tǒng)建設(shè)勢(shì)在必行。隨著源，網(wǎng)，荷，儲(chǔ)一體化深度協(xié)調(diào)互動(dòng)，靈活的能源電力系統(tǒng)新模式將日漸顯現(xiàn)。這一進(jìn)程將催生大量?jī)?chǔ)能應(yīng)用場(chǎng)景與裝配需求，儲(chǔ)能將扮演不可替代的關(guān)鍵角色，在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用全面開(kāi)花。

鋰電池儲(chǔ)能是主流，電力電子變換器需求增長(zhǎng)

儲(chǔ)能類型多樣化，目前進(jìn)入商業(yè)化主要有電池儲(chǔ)能與蓄水儲(chǔ)能。過(guò)去幾年中，由于新能源汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，帶動(dòng)了鋰電池產(chǎn)業(yè)鏈的成熟，鋰電池價(jià)格下降較快，鋰電池成本以每年20%-30%的速度在降低。這一趨勢(shì)促進(jìn)鋰電池在儲(chǔ)能的應(yīng)用場(chǎng)景和商業(yè)模式在不斷拓展，同樣也帶來(lái)電力電子變換器的需求增長(zhǎng)。

Arrow儲(chǔ)能（ESS）項(xiàng)目方案

艾睿基于ST高性能MCU STM32G474、ST SiC產(chǎn)品推出雙向Totem-Pole PFC 及CLLLC兩級(jí)拓?fù)鋬?chǔ)能應(yīng)用的解決方案。可以幫助客戶了解及學(xué)習(xí)這兩級(jí)拓?fù)涞奶攸c(diǎn)，性能和控制，直觀評(píng)估各主要元器件性能。從而加快客戶開(kāi)發(fā)產(chǎn)品的時(shí)間。Arrow ESS 方案兩級(jí)拓?fù)浞譃閮蓧K板，Totem-Pole PFC和CLLLC，兩塊板可以單獨(dú)工作和級(jí)聯(lián)工作，能夠適合不同客戶需求。本文只針對(duì)Totem-Pole PFC進(jìn)行介紹，CLLLC部分介紹請(qǐng)參考--《儲(chǔ)能應(yīng)用之DC/DC雙向拓?fù)?CLLLC》。

ESS系統(tǒng)框圖

Totem-pole PFC框圖

在設(shè)計(jì)研發(fā)過(guò)程中，圖騰柱PFC所使用的組件數(shù)量是目前已知的PFC拓?fù)渲凶钌俚模瑫r(shí)還具有最低傳導(dǎo)損耗、最高效率等優(yōu)點(diǎn)，圖騰柱PFC引起了人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注， 是目前雙向AC/DC變換優(yōu)先選擇。

Arrow TTPL PFC 解決方案

PCBA

Core Chip

MCU control： ST STM32G474VBT6

SiC MOS： ST SCTWA60N120G2-4

solated gate driver： ST STGAP2SiCS

Isolated DC-DC module： ST A6986I， VIPER329HDTR

CAN： ST L9616

ESD protection： ST HDMIULC6-4SC6Y / ST ESDCAN03-2BWY

Hi-Precision OP-AMP： ST TSZ181IYLT

Current sensor： Allegro ACS772LCB-050B-PFF-T， ACS772LCB-100B-PFF-T

Relay： TE T9VV1K15-12S

Resonant Capacitive Tank： muRata GCM43D7U3A472JX01L

Electrolytic Capacitor： KEMET F861DP155K310ZLH0J， R463W510050M1K， EDH477M025A9PAA， C4AEOBU4500A11J

設(shè)計(jì)規(guī)格

AC-DC 整流模式（Charging Mode）軟件實(shí)現(xiàn)

PWM 時(shí)序

如圖 6 及圖 7，TTPL-PFC 功率流動(dòng)分 4 個(gè)階段，Q1，Q2 為高速管，開(kāi)關(guān)頻率為133K， SD1，SD2 為低速管，開(kāi)關(guān)頻率為市電頻率。低速管可以用普通 MOS 管。

市電正半周（圖6）

市電負(fù)半周（圖7）

正半周（負(fù)半周與正半周類似）在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)PWM與VDS開(kāi)關(guān)時(shí)序（如圖8）：

T0-T1， Q2 PWM 開(kāi)始關(guān)閉，Q1 PWM 末打開(kāi)（關(guān)閉），高速橋 PWM 進(jìn)入死區(qū)區(qū)間，低速管 SD1 維持正半周持續(xù)導(dǎo)通，SD2 關(guān)閉。在此 T0-T1 時(shí)間斷，電流繼續(xù)經(jīng) Q2 體二極管及 SD1 正向流動(dòng)，所以雖然 Q2 PWM 已關(guān)閉，但 Q2，Vds 仍然保持 0。

T1-T2， Q1 PWM 開(kāi)啟，Q2 PWM 繼續(xù)關(guān)閉，由于線路信號(hào)延遲，Q1 在 T2 時(shí)刻導(dǎo)通（Q1_Vds=0），電流轉(zhuǎn)由 Q1 級(jí)SD1 正向流動(dòng)。在 T2時(shí)刻，Q1 導(dǎo)通的同時(shí)Q2 關(guān)閉（Vds=0）。

T2-T3， Q1 PWM 開(kāi)啟，Q2 PWM 關(guān)閉， 電流正向流動(dòng)，PFC 電感儲(chǔ)能。

T3-T4， Q1 PWM 關(guān)閉，Q2 PWM 關(guān)閉， 高速橋 PWM 進(jìn)入死區(qū)區(qū)間， 由于線路信號(hào)延遲， Q1 在 T4 時(shí)刻關(guān)斷，在此同時(shí) Q2 由于 Q1 的關(guān)斷而體二極管導(dǎo)通，電流由 Q1 轉(zhuǎn)為 Q2 經(jīng) SD1 正向流動(dòng)。

T4-T5， Q1 PWM 關(guān)閉，Q2 PWM 打開(kāi)，T5 時(shí) Q2 零電壓導(dǎo)通，所以在圖上看到 Q2 在Q2 PWM 開(kāi)啟前就已經(jīng)導(dǎo)通。

T5-T0， Q1 PWM 關(guān)閉，Q2 PWM 打開(kāi)， 電流 Q2 及 SD1 正向流動(dòng)。

圖8

市電過(guò)零時(shí)尖峰軟件處理—PWM soft start/end

由于 Totem-pole 高頻橋的兩管子的 PWM 互補(bǔ)輸出，在市電過(guò) 0 時(shí)，兩個(gè)開(kāi)關(guān)功能將在正半周進(jìn)入負(fù)半周或負(fù)半周進(jìn)入正半周時(shí)互換，占空比也隨之由原先的 0%跳變到 100%，或者 100%跳變到 0%，這種跳變?cè)斐蛇^(guò) 0 時(shí)的電流尖峰。為了減少過(guò) 0 時(shí)的電流尖峰，軟件在過(guò) 0 時(shí)對(duì) PWM 進(jìn)行 Soft start/end 處理。如圖9。

圖9

TTPL-PFC 控制器

TTPL-PFC 控制有兩個(gè)目標(biāo)，一是穩(wěn)定 PFC 的 DC 輸出電壓，另一個(gè)是控制輸入的市電電流。為了減少設(shè)備對(duì)電網(wǎng)的諧波干擾及減少設(shè)備的無(wú)功功率提高使用效率，功率因數(shù)接近 1是最為理想。這就要求對(duì)輸入電流波形和相位進(jìn)行控制，使輸入電流與輸入電壓相位同步，這由軟件鎖相環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)，控制輸入電流波形及穩(wěn)定 DC 輸出電壓由軟件雙閉環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

增強(qiáng)型鎖相環(huán)-EPLL EPLL 相對(duì)普通二階廣義積分鎖相環(huán) SOGI-PLL，有不帶倍頻紋波及THD 比較小，能快速跟蹤市電變化的優(yōu)勢(shì)，缺點(diǎn)是占用 CPU 資源相對(duì)多。

雙環(huán)控制 ： 電壓外環(huán)以及電流內(nèi)環(huán)并且 3，5，7，11諧波注入方法來(lái)實(shí)現(xiàn)諧波濾波，用來(lái)減少輸入電流的THD。

TTPL-PFC 仿真

仿真結(jié)果顯示電流過(guò)0處存在尖峰，這是因?yàn)榉抡嬷袥](méi)有對(duì)PWM在市電過(guò)零時(shí)做soft start/end處理，所以結(jié)果顯示存在尖峰。

TTPL-PFC實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

輸入AC220V，50Hz，輸出 450V負(fù)載3000W波形（CH3 AC電流，CH4 電感電流）

圖13

輸入AC220V，50Hz，輸出 450V負(fù)載6700W時(shí)波形。（CH4 AC電流）

圖14

滿載時(shí)記錄的功率分析儀數(shù)據(jù)

圖15

6.6kW Totem-pole PFC AC-DC測(cè)試結(jié)果

圖16

6.6kW Totem-pole PFC AC-DC效率曲線

圖17

DC-AC逆變模式（Discharging Mode）

圖騰PFC反向工作時(shí)作為H橋全橋逆變拓?fù)洌梢詰?yīng)用在并網(wǎng)逆變以及離網(wǎng)逆變。

其脈寬調(diào)制方法常用SPWM，SPWM產(chǎn)生分三種類型，單極性SPWM，雙極性SPWM，以及單極倍頻SPWM。本方案采用的是單極性SPWM，相對(duì)雙極性SPWM THD會(huì)更好，但缺點(diǎn)也是與PFC一樣，存在過(guò)零尖峰問(wèn)題。減少尖峰的問(wèn)題也是采用同樣的過(guò)零soft start/end方法。

PWM時(shí)序

如圖19及圖20，H橋逆變功率流動(dòng)分4個(gè)階段，Q1，Q2為高速管，開(kāi)關(guān)頻率為133K， Q3，Q4為低速管，開(kāi)關(guān)頻率為市電頻率。低速管可以用普通MOS管。

交流輸出正半周（圖19）

交流輸出負(fù)半周（圖20）

正半周（負(fù)半周與正半周類似）在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)PWM開(kāi)關(guān)時(shí)序與PFC整流時(shí)相似，請(qǐng)參考AC-DC章節(jié)中相關(guān)描述。

逆變控制器

逆變器按應(yīng)用場(chǎng)景可分離網(wǎng)式逆變器及并網(wǎng)式逆變器，兩者在軟件控制上存在明顯差別，測(cè)重點(diǎn)也是不同。并網(wǎng)逆變控制更像是PFC 整流器的反向控制，與整流一樣需要鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)電壓電流相位同步，離網(wǎng)逆變控制更測(cè)重適應(yīng)不同負(fù)載的帶載能力，控制對(duì)像也有差別，并網(wǎng)逆變器控制并網(wǎng)電流，離網(wǎng)控制輸出電壓。

1）并網(wǎng)逆變器控制 鎖相環(huán)與PFC整流過(guò)程軟件實(shí)現(xiàn)相同，請(qǐng)參考PFC章節(jié)介紹。控制器設(shè)計(jì)僅采用電流環(huán)以及諧波注入進(jìn)行并網(wǎng)電流控制。

圖21

2）離網(wǎng)逆變控制器 逆變器以穩(wěn)定的輸出電壓及頻率向不同負(fù)載供電。

圖22

離網(wǎng)逆變仿真

圖23

仿真滿載投載結(jié)果。（上圖為逆變輸出電壓，下圖為輸出電流）

圖24

逆變實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

220VAC輸出，No Load.（Red:Vac， Bule：電感電流，綠：輸出電流）

圖25

220VAC輸出，F(xiàn)ull Load（Red:Vac， Bule：電感電流，綠：輸出電流）

圖26

220Vac輸出，滿載時(shí)效率98.8%

圖27

效率曲線

圖28

設(shè)計(jì)要點(diǎn)及難點(diǎn)

市電過(guò)零處尖峰處理

相位補(bǔ)償

THD的改善

控制器參數(shù)調(diào)整

采樣信號(hào)處理

輕載控制

CBC限流

離網(wǎng)逆變帶載能力

結(jié)論

艾睿累積了STM32G474在數(shù)字開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用及雙向TTPL-PFC 的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，可提供TTPL-PFC系統(tǒng)方案的硬件和軟件支持，解決技術(shù)難點(diǎn)，分享PCB 設(shè)計(jì)和調(diào)試技巧，務(wù)求加快客戶開(kāi)發(fā)產(chǎn)品的時(shí)間。