由於電力電子、數位控制及電池技術的進步，促使再生能源、儲能系統及新能源應用等產業的蓬勃發展。例如 : 電動汽車的電能系統、對電力系統用電進行削峰填谷和調節電力的儲能系統、應急電源及可攜式行動電源 … 等。這些設備都需要雙向電力轉換系統在電力系統與電池系統間進行電力交換，典型應用如下圖 1 所示。
圖 1. 雙向電力傳輸系統典型應用
雙向電力轉換架構眾多，可以分為 Bidirectional AC-DC & Bidirectional DC-DC Converter。Bidirectional AC-DC Converter 依功率大小應用有單相與三相架構。本文將針對常見之單相雙向 AC-DC 轉換架構及工作方式進行介紹。
2. 單相雙向 AC-DC Converter 架構介紹
單相 PFC 與單相 Inverter 的架構有很多種，雙向功能需同時包含 PFC ( AC-DC ) 與 Inverter ( DC-AC ) 的功能，目前最常使用的硬體架構為 Full Bridge 架構，電路如下圖 2 所示。
圖 2 : Single Phase Bidirectional AC–DC Converter
2.1 單相 AC-DC Converter 介紹
當作為 AC-DC Converter ( PFC ) 使用時，依動作方式可以分為全橋整流 PFC 模式及 Totem Pole PFC 模式。全橋整流 PFC 模式的動作方式如圖 3 所示，由 Q1、Q4 與 Q2、Q3 兩對開關交互高頻切換。AC input 正半週時，Q2、Q3 導通及 Q1、Q4 關閉為電感儲能區間，Q1、Q4 導通及 Q2、Q3 關閉為電感洩能區間，此階段電感電壓方程式如下 :
AC input 負半週時，Q1、Q4 導通及 Q2、Q3 關閉為電感儲能區間，Q2、Q3 導通及 Q1、Q4 關閉為電感洩能區間，此階段電感電壓方程式如下 ( 負半週時 VAC 為負值 ) :
Totem Pole PFC 模式為近年最常用的 Bridgeless PFC 架構，動作方式如下圖 4 所示，控制 2 個高頻切換開關 Q1 與 Q2 及 2 個低頻整流開關 Q3 與 Q4。AC input 正半週時，Q2、Q4 導通及 Q1、Q3 關閉為電感儲能區間，Q1、Q4 導通及 Q2、Q3 關閉為電感洩能區間，此階段電感電壓方程式如下 :
AC input 負半週時，Q1、Q3 導通及 Q2、Q4 關閉為電感儲能區間，Q2、Q3 導通及 Q1、Q4 關閉為電感洩能區間，此階段電感電壓方程式如下 ( 負半週時VAC 為負值 ) :
由以上全橋整流 PFC 模式及 Totem Pole PFC 模式動作分析可以發現以下 2 點 :
( 1 ) 全橋整流 PFC 模式是 4 個開關都是高頻切換，Totem Pole PFC 模式只有 2 個開關是高頻切換，因此 Totem Pole PFC 模式切換損失較全橋整流 PFC 模式小。
( 2 ) 全橋整流 PFC 模式電感儲能時的電壓是 |VAC|+VDC ，Totem Pole PFC 模式電感儲能時的電壓是 VAC。以相同感量比較，全橋整流 PFC 模式電感儲能電流斜
率較大。
( 3 ) 全橋整流 PFC 模式 AC input 的負端 ( 連接到 Q3、Q4 中間 )，以高頻切換頻率在 VDC 的正與負間跳動，故 EMI 較差。
2.2 單相 DC-AC Inverter 介紹
相較於 AC-DC PFC 動作方式，DC-AC inverter 依動作方式亦可分為 Bipolar PWM 與 Unipolar PWM 兩種。Bipolar PWM 動作方式及波形如下圖 5、6 所示，動作方式為控制 Q1、Q4 與 Q2、Q3 開關交互高頻切換，經電感與電容濾波輸出交流電流與電壓。由於 VAB 電壓在一個切換週期由 +VDC 到 -VDC 間變化，故稱為Bipolar PWM 模式。AC output 正半週時，Q1、Q4 導通及 Q2、Q3 關閉為電感儲能區間，Q2、Q3 導通及 Q1、Q4 關閉為電感洩能區間，此階段電感電壓方程式如下 :
AC output 負半週時，Q2、Q3 導通及 Q1、Q4 關閉為電感儲能區間，Q1、Q4 導通及 Q2、Q3 關閉為電感洩能區間，此階段電感電壓方程式如下 ( 負半週時 VAC 為負值 ) :
Unipolar PWM 動作方式如下圖 7 所示，控制 2 個高頻切換開關 Q1 與 Q2 及 2 個低頻整流開關 Q3 與 Q4，經電感與電容濾波輸出交流電流與電壓。由於 VAB 電壓在一個切換週期由 +VDC 到 0 ( AC 正半週 ) 及 0 到 -VDC 間 ( AC 負半週 ) 變化，故稱為 Unipolar PWM 模式。
AC output 正半週時，Q1、Q4 導通及 Q2、Q3 關閉為電感儲能區間，Q2、Q4 導通及 Q1、Q3 關閉為電感洩能區間，此階段電感電壓方程式如下 :
AC output 負半週時，Q2、Q3 導通及 Q1、Q4 關閉為電感儲能區間，Q1、Q3 導通及 Q2、Q4 關閉為電感洩能區間，此階段電感電壓方程式如下 ( 負半週時 VAC 為負值 ) :
由以上 Bipolar PWM DC-AC inverter 及 Unipolar PWM DC-AC inverter 模式動作分析可以發現以下2點 :
( 1 ) Bipolar PWM 模式是4個開關都是高頻切換，Unipolar PWM 模式只有 2 個開關是高頻切換，因此 Unipolar PWM 模式切換損失較 Bipolar PWM DC-AC
inverter 小。
( 2 ) Bipolar PWM 模式電感洩能時的電感電壓壓是 |VAC|+VDC，Unipolar PWM 模式電感洩能時的電感電壓是 VAC。以相同感量比較，Bipolar PWM 模式電感洩能
電流斜率較大。
3. 結論
單相雙向 AC-DC 轉換架構功能包含 AC-DC converter 及 DC-AC inverter。依控制動作方式不同 AC-DC converter 可以分為全橋整流 PFC 及 Totem Pole PFC ;DC-AC inverter 可以分為Bipolar PWM 及 Unipolar PWM 兩種方法。全橋整流 PFC 及 Bipolar PWM DC-AC inverter 之 PWM 模組動作較簡單，但切換損失較大，儲能電感斜率也較大。
Totem Pole PFC 及 Unipolar PWM DC-AC inverter 因只有2個高頻切換開關，效率較高。近年因第三類半導體 SiC ( 註 1 ) & GaN 高頻且低切換損失的特性，常用於 2 個高頻切換開關，使得效率進一步得到提升。
因雙向架構控制較複雜，需要同時擁有 AC-DC converter 及 DC-AC inverter 控制器，並判斷決定正向或反向功率轉換控制，一般沒有 Analog Control IC 可以使用，必須使用 Digital Controller ( 註 2 ) 來實現複雜的控制系統。註 1 : SiC Device 可參考 onsemi SiC MOSFET、SiC MOSFET Diode、SiC Moudles
註 2 : Digital Controller 可參考 NXP 56800EX DSCs ( 32-bit Digital Signal Controllers ( DSC ) ) 系列
參考來源