僅使用 GaN 的雙向圖騰柱如圖 1.1 所示，包括兩個半橋臂。一個半橋開關(guān)處于高開關(guān)頻率，被表示為高頻橋臂。另一個半橋以線路頻率進(jìn)行開關(guān)，并表示為低頻支路 [1]。在 PFC 模式下，電力從電網(wǎng)獲取，而在并網(wǎng)模式下，電力以接近單位功率因數(shù)饋送到電網(wǎng)。

　　雙向圖騰柱
　　圖1.1：雙向圖騰柱
　　直流側(cè) Y 型電容器代表 EMI 濾波器，也可以代表光伏電池板或負(fù)載的寄生電容器。在此拓?fù)渲?，高頻開關(guān)器件在 PFC 模式和并網(wǎng)模式下均進(jìn)行硬開關(guān)。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有卓越的效率和功率密度。新出現(xiàn)的寬帶隙半導(dǎo)體器件可以完美匹配這種拓?fù)?，因為它們的反向恢?fù)電荷幾乎為零。寬帶隙器件的開關(guān)損耗相對較小，使其特別適合雙向圖騰柱中的 CCM 操作。由于沒有線路整流器，與傳統(tǒng) PFC 相比，圖騰柱轉(zhuǎn)換器的傳導(dǎo)損耗也有所減少。因此，使用全 GaN 器件的雙向圖騰柱更適合高效率和高功率密度應(yīng)用。
　　雙向圖騰柱的應(yīng)用
　　高效服務(wù)器和電信電源
　　雙向板載電池充電器 (Bi-OBC)
　　太陽能逆變器
　　圖騰柱中漏電電流的產(chǎn)生
　　從圖 2.1 可以清楚地看出，直流母線 Y 型電容器“Cy1”和“Cy2”的中點接地。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)極和地之間電壓的任何變化都會對“Cy2”充電或放電 [2]。由于“G2”和“G4”的切換，直流負(fù)極與地之間的電壓會發(fā)生變化。　　帶 Y 型帽的雙向圖騰柱

　　圖 2.1：帶 Y 型帽的雙向圖騰柱
　　由于通過“G4”為電流提供的低阻抗路徑，“Cy2”的充電和放電僅通過“G4”完成。在混合 PWM 中，“G4”僅在過零時從 ON 轉(zhuǎn)換為 OFF，反之亦然。對于整個正半周期或負(fù)半周期，“G4”兩端的電壓要么為 VDC，要么為零。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有突變，并且根據(jù)(1)中的電容器電流方程，“Cy2”不會充電或放電，從而不會產(chǎn)生漏電流。在過零處，由于“G4”漏極到源極電壓的突然變化，“Cy2”將出現(xiàn)電壓突然變化，導(dǎo)致電流尖峰，根據(jù)等式（1）對其進(jìn)行充電或放電。
　　$$i_{CY2} = CY2 \times \frac{dv_{CY2}}{dt} \quad (1)$$
　　這種現(xiàn)象僅在過零處產(chǎn)生漏電流。漏電流會增加傳導(dǎo)和輻射電磁發(fā)射。漏電流也會施加到線路電流和中性電流上，并且會根據(jù)流動方向而增加或減少，從而導(dǎo)致接近零交叉的失真。漏電流與寄生電容或 Y 電容兩端的電壓變化率成正比。電壓的變化率取決于“G4”的開關(guān)速度，如果“G4”是GaN，則開關(guān)速度比任何其他半導(dǎo)體器件都快。所選 GaN 需要 9ns 開啟，15.5ns 關(guān)閉 [3]。電壓波動將對寄生或直流側(cè) Y 電容器充電和放電。
　　對于光伏電池板 – 光伏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)極與地之間的電位）與“G4”的漏極至源極電壓相同，并且在過零處經(jīng)歷急劇轉(zhuǎn)變，這將對寄生電容進(jìn)行充電和放電。如果有人不小心接觸到光伏電池板的表面，漏電流將流過人的身體（由于沒有任何其他低阻抗路徑）。如果漏電流過高，可能會造成觸電或人身傷害。
　　對于直流總線電容器 – 直流總線電容器上的 Y 電容通常在設(shè)計中用作 EMI 濾波器，其作用與光伏電池板中的寄生電容相同。直流電源的接地電流將會增加，如果該電流超過保護(hù)限值，直流電源可能會隨機跳閘并干擾雙向圖騰柱的整個運行?！　4 上帶有 Y 帽的雙向圖騰柱

　　圖 2.2：G4 上帶有 Y 帽的雙向圖騰柱
　　PFC 模式下的雙向圖騰柱
　　正半周期間（參見圖3.1）——G2為主開關(guān)管，G1反向?qū)ㄍ秸?，G4在整個半周期內(nèi)持續(xù)導(dǎo)通。當(dāng)G2導(dǎo)通時，差動電流路徑為“P-Ls-A-G2-G4-BN”。能量存儲在電感器 (Ls) 中。電容器 CDC 為負(fù)載供電?！　FC 模式下的雙向圖騰柱（正半期間）

　　圖 3.1：PFC 模式下的雙向圖騰柱（正半期間）
　　當(dāng)G1導(dǎo)通時，差分電流路徑為“P-Ls-A-G1-CDC-G4-BN”。電容器CDC由電網(wǎng)充電。存儲在電感器中的能量和來自電網(wǎng)的能量提供給直流母線 (CDC)。在正向負(fù)轉(zhuǎn)換期間（在過零處）充電的 Y 電容“Cy2”將通過 G4 快速放電，電流的返回路徑是通過接地和線路側(cè) Y 電容。漏電流路徑為“Cy2-G4-B-Cz2-穿地”?！　FC 模式下的雙向圖騰柱（負(fù)半?yún)^(qū)）

　　圖 3.2：PFC 模式下的雙向圖騰柱
　?。ㄘ?fù)半?yún)^(qū)）
　　負(fù)半周期（參見圖3.2）——G1為主開關(guān)管，G2反向?qū)ㄍ秸鳎珿3在整個半周期持續(xù)導(dǎo)通。當(dāng) G1 為 ON 時，差分電流路徑為“PB-G3-G1-A-Ls-N”。電容器 CDC 為負(fù)載供電。能量存儲在電感器 (Ls) 中。當(dāng) G2 為 ON 時，差分電流路徑為“PB-G3-CDC-G2-A-Ls-N”。電容器CDC已充電。存儲在電感器中的能量和來自電網(wǎng)的能量被提供給直流母線。 Y 電容“Cy2”將在正向負(fù)轉(zhuǎn)換期間（在過零處）快速充電，并且電流的返回路徑通過接地。漏電流路徑為“Cz2-B-G3-CDC-Cy2-穿地”。
　　并網(wǎng)模式下的雙向圖騰柱
　　在正半周期期間（參見圖 4.1） – G1 為主開關(guān)，G2 使用同步整流反向?qū)ǎ珿4 在整個半周期持續(xù)導(dǎo)通。當(dāng)G1導(dǎo)通時，差動電流路徑為“DC(+)-G1-A-Ls-PNB-G4-DC(-)”。
　　電容器 CDC 向電網(wǎng)供電。當(dāng) G2 接通時，電感器能量通過“Ls-PNB-G4-G2-A”續(xù)流。漏電流路徑與正半周的 PFC 模式類似。
　　在負(fù)半周期（參見圖 4.2） – G2 為主開關(guān)，G1 使用同步整流反向?qū)?，G3 在整個半周期持續(xù)導(dǎo)通。當(dāng)G2導(dǎo)通時，差動電流路徑為“DC(+)-G3-BPN-Ls-A-G2-DC(-)”。電容器 CDC 為電網(wǎng)供電。當(dāng)G1導(dǎo)通時，電感將通過“Ls-A-G1-G3-BP”續(xù)流。漏電流路徑與負(fù)半周的 PFC 模式類似。
　　在沒有交流側(cè) Y 型電容器的情況下，漏地電流將繼續(xù)流動，并通過交流側(cè)中性點找到另一條路徑，該中性點接地，如圖 4.3 和 4.4 所示?！　〔⒕W(wǎng)模式雙向圖騰柱仿真結(jié)果

　　圖 1.1 的電路在并網(wǎng)模式下進(jìn)行仿真，以確認(rèn)漏地電流的路徑。參考電網(wǎng)電壓，可以看出僅在過零處觀察到漏地電流。
　　從仿真中可以清楚地看出，流過交流側(cè) Y 電容器“Cz2”的電流與流過直流側(cè) Y 電容器“Cy2”的電流相同。仿真結(jié)果還顯示了“Cy2”兩端的電壓，僅當(dāng)“G4”從開狀態(tài)變?yōu)殛P(guān)狀態(tài)時才會改變狀態(tài)，反之亦然，并且該電壓與“G4”的漏源電壓相同。　　并網(wǎng)模式下的雙向圖騰柱（正半?yún)^(qū)）

　　圖 4.1：并網(wǎng)模式下的雙向圖騰柱
　?。ㄕ肫陂g）　　并網(wǎng)模式下的雙向圖騰柱（負(fù)半?yún)^(qū)）

　　圖 4.2：并網(wǎng)模式下的雙向圖騰柱
　?。ㄘ?fù)半?yún)^(qū)）　　沒有交流側(cè) Y 型電容器時的接地泄漏電流路徑（負(fù)向正過渡）

　　圖 4.3：沒有交流側(cè) Y 型電容器時的接地泄漏電流路徑
　?。ㄘ?fù)向正過渡）　　沒有交流側(cè) Y 型電容器時的接地泄漏電流路徑（正向負(fù)過渡）

　　圖 4.4：沒有交流側(cè) Y 型電容器時的接地泄漏電流路徑
　?。ㄕ蜇?fù)過渡）　　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)逆變器運行以證明仿真結(jié)果。過零處的尖銳電流脈沖如圖 6.1 所示，與圖 5.1 類似。尖銳脈沖是對“Cy2”充電或放電的地電壓突然變化的結(jié)果，與仿真結(jié)果相符。

　　在并網(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　　直流電源實驗接地電流

　　圖 6.1：直流電源的實驗接地電流