在國內落實“雙碳”目標的重要背景下，我國能源結構調整與新型電力系統(tǒng)建設勢在必行。隨著源，網(wǎng)，荷，儲一體化深度協(xié)調互動，靈活的能源電力系統(tǒng)新模式將日漸顯現(xiàn)。這一進程將催生大量儲能應用場景與裝配需求，儲能將扮演不可替代的關鍵角色，在電力系統(tǒng)中的應用全面開花。

鋰電池儲能是主流，電力電子變換器需求增長

儲能類型多樣化，目前進入商業(yè)化主要有電池儲能與蓄水儲能。過去幾年中，由于新能源汽車產業(yè)的快速發(fā)展，帶動了鋰電池產業(yè)鏈的成熟，鋰電池價格下降較快，鋰電池成本以每年20%-30%的速度在降低。這一趨勢促進鋰電池在儲能的應用場景和商業(yè)模式在不斷拓展，同樣也帶來電力電子變換器的需求增長。

Arrow儲能（ESS）項目方案

艾睿基于ST高性能MCU STM32G474、ST SiC產品推出雙向Totem-Pole PFC 及CLLLC兩級拓撲儲能應用的解決方案。可以幫助客戶了解及學習這兩級拓撲的特點，性能和控制，直觀評估各主要元器件性能。從而加快客戶開發(fā)產品的時間。Arrow ESS 方案兩級拓撲分為兩塊板，Totem-Pole PFC和CLLLC，兩塊板可以單獨工作和級聯(lián)工作，能夠適合不同客戶需求。本文只針對Totem-Pole PFC進行介紹，CLLLC部分介紹請參考--《儲能應用之DC/DC雙向拓撲 CLLLC》。

ESS系統(tǒng)框圖

Totem-pole PFC框圖

在設計研發(fā)過程中，圖騰柱PFC所使用的組件數(shù)量是目前已知的PFC拓撲中最少的，同時還具有最低傳導損耗、最高效率等優(yōu)點，圖騰柱PFC引起了人們越來越多的關注， 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

設計規(guī)格

AC-DC 整流模式（Charging Mode）軟件實現(xiàn)

PWM 時序

如圖 6 及圖 7，TTPL-PFC 功率流動分 4 個階段，Q1，Q2 為高速管，開關頻率為133K， SD1，SD2 為低速管，開關頻率為市電頻率。低速管可以用普通 MOS 管。

市電正半周（圖6）

市電負半周（圖7）

正半周（負半周與正半周類似）在一個開關周期內PWM與VDS開關時序（如圖8）：

T0-T1， Q2 PWM 開始關閉，Q1 PWM 末打開（關閉），高速橋 PWM 進入死區(qū)區(qū)間，低速管 SD1 維持正半周持續(xù)導通，SD2 關閉。在此 T0-T1 時間斷，電流繼續(xù)經(jīng) Q2 體二極管及 SD1 正向流動，所以雖然 Q2 PWM 已關閉，但 Q2，Vds 仍然保持 0。

T1-T2， Q1 PWM 開啟，Q2 PWM 繼續(xù)關閉，由于線路信號延遲，Q1 在 T2 時刻導通（Q1_Vds=0），電流轉由 Q1 級SD1 正向流動。在 T2時刻，Q1 導通的同時Q2 關閉（Vds=0）。

T2-T3， Q1 PWM 開啟，Q2 PWM 關閉， 電流正向流動，PFC 電感儲能。

T3-T4， Q1 PWM 關閉，Q2 PWM 關閉， 高速橋 PWM 進入死區(qū)區(qū)間， 由于線路信號延遲， Q1 在 T4 時刻關斷，在此同時 Q2 由于 Q1 的關斷而體二極管導通，電流由 Q1 轉為 Q2 經(jīng) SD1 正向流動。

T4-T5， Q1 PWM 關閉，Q2 PWM 打開，T5 時 Q2 零電壓導通，所以在圖上看到 Q2 在Q2 PWM 開啟前就已經(jīng)導通。

T5-T0， Q1 PWM 關閉，Q2 PWM 打開， 電流 Q2 及 SD1 正向流動。

圖8

市電過零時尖峰軟件處理—PWM soft start/end

由于 Totem-pole 高頻橋的兩管子的 PWM 互補輸出，在市電過 0 時，兩個開關功能將在正半周進入負半周或負半周進入正半周時互換，占空比也隨之由原先的 0%跳變到 100%，或者 100%跳變到 0%，這種跳變造成過 0 時的電流尖峰。為了減少過 0 時的電流尖峰，軟件在過 0 時對 PWM 進行 Soft start/end 處理。如圖9。

圖9

TTPL-PFC 控制器

TTPL-PFC 控制有兩個目標，一是穩(wěn)定 PFC 的 DC 輸出電壓，另一個是控制輸入的市電電流。為了減少設備對電網(wǎng)的諧波干擾及減少設備的無功功率提高使用效率，功率因數(shù)接近 1是最為理想。這就要求對輸入電流波形和相位進行控制，使輸入電流與輸入電壓相位同步，這由軟件鎖相環(huán)來實現(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)來實現(xiàn)。

增強型鎖相環(huán)-EPLL EPLL 相對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，缺點是占用 CPU 資源相對多。

雙環(huán)控制 ： 電壓外環(huán)以及電流內環(huán)并且 3，5，7，11諧波注入方法來實現(xiàn)諧波濾波，用來減少輸入電流的THD。

TTPL-PFC 仿真

仿真結果顯示電流過0處存在尖峰，這是因為仿真中沒有對PWM在市電過零時做soft start/end處理，所以結果顯示存在尖峰。

TTPL-PFC實驗測試結果

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

圖13

輸入AC220V，50Hz，輸出 450V負載6700W時波形。（CH4 AC電流）

圖14

滿載時記錄的功率分析儀數(shù)據(jù)

圖15

6.6kW Totem-pole PFC AC-DC測試結果

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反向工作時作為H橋全橋逆變拓撲，可以應用在并網(wǎng)逆變以及離網(wǎng)逆變。

其脈寬調制方法常用SPWM，SPWM產生分三種類型，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，相對雙極性SPWM THD會更好，但缺點也是與PFC一樣，存在過零尖峰問題。減少尖峰的問題也是采用同樣的過零soft start/end方法。

PWM時序

如圖19及圖20，H橋逆變功率流動分4個階段，Q1，Q2為高速管，開關頻率為133K， Q3，Q4為低速管，開關頻率為市電頻率。低速管可以用普通MOS管。

交流輸出正半周（圖19）

交流輸出負半周（圖20）

正半周（負半周與正半周類似）在一個開關周期內PWM開關時序與PFC整流時相似，請參考AC-DC章節(jié)中相關描述。

逆變控制器

逆變器按應用場景可分離網(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，測重點也是不同。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)實現(xiàn)電壓電流相位同步，離網(wǎng)逆變控制更測重適應不同負載的帶載能力，控制對像也有差別，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整流過程軟件實現(xiàn)相同，請參考PFC章節(jié)介紹。控制器設計僅采用電流環(huán)以及諧波注入進行并網(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載供電。

圖22

離網(wǎng)逆變仿真

圖23

仿真滿載投載結果。（上圖為逆變輸出電壓，下圖為輸出電流）

圖24

逆變實驗測試結果

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，滿載時效率98.8%

圖27

效率曲線

圖28

設計要點及難點

市電過零處尖峰處理

相位補償

THD的改善

控制器參數(shù)調整

采樣信號處理

輕載控制

CBC限流

離網(wǎng)逆變帶載能力

結論

艾睿累積了STM32G474在數(shù)字開關電源應用及雙向TTPL-PFC 的應用經(jīng)驗，可提供TTPL-PFC系統(tǒng)方案的硬件和軟件支持，解決技術難點，分享PCB 設計和調試技巧，務求加快客戶開發(fā)產品的時間。