在AC-DC SMPS應用中，橋式整流器被用于將交流輸入轉(zhuǎn)換為直流總線電壓，并為第二級的隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器供電。其中，電流與輸入電壓的不匹配會給電網(wǎng)帶來大量的諧波反饋。因此，電子儀器在接入電網(wǎng)時，需要遵循相關(guān)標準規(guī)定的功率因數(shù)規(guī)范和諧波限制。為了解決這些問題，在大多數(shù)AC-DC應用中，通常會使用功率因數(shù)校正技術(shù)。

光儲充一體化系統(tǒng)是一種集成了光伏發(fā)電、儲能和充電功能的綜合能源系統(tǒng)，它能夠提高能源利用效率、平衡電網(wǎng)負荷，并應對電力突發(fā)需求。PCS(Power Conversion System，儲能變流器)是該系統(tǒng)中的核心設備，負責將電池系統(tǒng)中的直流電轉(zhuǎn)換為與電網(wǎng)或負荷兼容的交流電，或?qū)⒔涣麟娹D(zhuǎn)換為直流電儲存到電池中。

儲能變流器(Power Conversion System，簡稱PCS)，在電化學儲能系統(tǒng)中，是連接于電池系統(tǒng)與電網(wǎng)(和/或負荷)之間實現(xiàn)電能雙向轉(zhuǎn)換的裝置，可控制蓄電池的充電和放電過程，進行交直流的變換，在無電網(wǎng)情況下可以直接為交流負荷供電。

PCS 由 DC/AC 雙向變流器、控制單元等構(gòu)成。PCS控制器通過通訊接收后臺控制指令，根據(jù)功率指令的符號及大小控制變流器對電池進行充電或放電，實現(xiàn)對電網(wǎng)有功功率及無功功率的調(diào)節(jié)。同時PCS可通過CAN接口與BMS通訊、干接點傳輸?shù)确绞?，獲取電池組狀態(tài)信息，可實現(xiàn)對電池的保護性充放電，確保電池運行安全。

雙向AC-DC變換器廣泛應用在新能源、微電網(wǎng)和電動汽車充電等領(lǐng)域[1-6]。如何實現(xiàn)功率因數(shù)校正(Power Factor Correction, PFC)[7]、提升變換效率、降低成本和提高動態(tài)性能是該類變換器的研究熱點。近年來，國內(nèi)外學者提出系列雙向AC-DC變換拓撲，按照拓撲結(jié)構(gòu)可分為兩級式和單級式結(jié)構(gòu)。兩級式拓撲通常由前級單相脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation, PWM)整流器和后級雙有源橋(Dual Active Bridge, DAB)或諧振變換器構(gòu)成[8-9]，該拓撲可靠性高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、前后級控制方法成熟，是目前車載充電器主流拓撲[10]形式。

相比兩級式拓撲，單級式拓撲實現(xiàn)功率單級變換，具有高效、高功率密度和低成本等潛在優(yōu)勢。單級式拓撲的交流側(cè)可采用工頻折疊電路+橋式電路，文獻[11]采用工頻折疊電路+DC-DC LLC諧振變換器實現(xiàn)準單級變換，文獻[12]的后級DC-DC電路則采用DAB拓撲。另一種實現(xiàn)方式是采用雙向開關(guān)，文獻[13]采用LLC諧振型的雙向開關(guān)單級AC-DC拓撲，但由于諧振腔正反雙向非對稱，反向工作時效率會降低。本文采用DAB型的半橋雙向開關(guān)單級AC-DC拓撲，具有主電路結(jié)構(gòu)簡單、結(jié)構(gòu)對稱且控制簡單等優(yōu)點。

傳統(tǒng)DAB型雙向AC-DC通常采用移相調(diào)制策略，單移相調(diào)制[14]為最常見的移相調(diào)制策略，因只有一個自由度，難以在全負載范圍實現(xiàn)軟開關(guān)[15]，且在輕載時存在較大環(huán)流。據(jù)此，國內(nèi)外學者提出了許多改進的調(diào)制策略[16-19]。文獻[16]采用單移相調(diào)制+占空比調(diào)制方式實現(xiàn)了寬負載范圍軟開關(guān)，但控制較為復雜。文獻[17]則在單移相調(diào)制基礎上加入DC側(cè)橋內(nèi)移相角，通過計算得到交流電流表達式并使其跟隨交流電壓，但還是無法實現(xiàn)全范圍的軟開關(guān)，且AC側(cè)開關(guān)管只能實現(xiàn)零電流開通，損耗較大。文獻[18]明確了拓展移相調(diào)制下的移相比選取范圍，但并未提出最優(yōu)回流功率調(diào)制策略。文獻[19]采用拓展移相調(diào)制方法，能有效減小傳統(tǒng)單移相控制帶來的較大的電流應力，但分段較多、控制復雜。

臨界電流模式(Boundary Current Mode, BCM)作為一種常見的調(diào)制策略在PFC方面有著廣泛的應 用[20]，該策略通過控制電感電流為BCM使得其在每個開關(guān)周期內(nèi)為雙向電流以提供零電壓軟開關(guān)(Zero Voltage Switching, ZVS)條件。考慮到DAB型單級AC-DC變換器在僅采用移相調(diào)制時難以實現(xiàn)全負載軟開關(guān)，效率無法進一步提高的問題，本文提出了一種改進型的基于BCM的調(diào)制策略，將移相調(diào)制和變頻調(diào)制相結(jié)合，實現(xiàn)了PFC和全交流電壓范圍內(nèi)所有開關(guān)管的軟開關(guān)，提高了整體效率。最后搭建實驗平臺，通過實驗驗證了所提出的控制策略的正確性和有效性。

單極性電路開關(guān)拓撲結(jié)構(gòu)是一種簡單而常見的電路結(jié)構(gòu)，它的特點是只有一個電源極性，可以通過開關(guān)控制器控制電路的導通和截止。這種拓撲結(jié)構(gòu)適用于低壓、小功率的電路，如LED燈、小型電機等。

雙極性電路開關(guān)拓撲結(jié)構(gòu)是在單極性電路開關(guān)的基礎上發(fā)展而來的，它的特點是有兩個電源極性，可以實現(xiàn)正反向的控制。這種拓撲結(jié)構(gòu)適用于一些需要反轉(zhuǎn)電流方向的電路，如H橋驅(qū)動器、直流電機控制器等。多極性電路開關(guān)拓撲結(jié)構(gòu)是在雙極性電路開關(guān)的基礎上發(fā)展而來的，它的特點是具有多個電源極性，可以實現(xiàn)更加復雜的控制。這種拓撲結(jié)構(gòu)適用于需要多種電壓、電流的電路，如電動車控制器、太陽能控制器等。

在選擇電路開關(guān)拓撲結(jié)構(gòu)時，需要根據(jù)實際應用需求進行選擇。對于小功率、低壓的電路，可以選擇單極性電路開關(guān)拓撲結(jié)構(gòu);對于需要反轉(zhuǎn)電流方向的電路，可以選擇雙極性電路開關(guān)拓撲結(jié)構(gòu);對于需要控制多種電壓、電流的電路，可以選擇多極性電路開關(guān)拓撲結(jié)構(gòu)。同時，為了優(yōu)化電路開關(guān)性能，可以采用一些優(yōu)化措施，如增加電容、電感等元件，選擇合適的開關(guān)管型號等?？傊?，電路開關(guān)拓撲結(jié)構(gòu)是電路設計中一個重要的方面，選擇合適的拓撲結(jié)構(gòu)可以提高電路的性能和穩(wěn)定性。

?單級拓撲與兩級拓撲的主要區(qū)別在于結(jié)構(gòu)復雜度、效率、成本和適用場景等方面。?

?單級拓撲?：結(jié)構(gòu)相對簡單，通常只包含一個主要的轉(zhuǎn)換級，如DC/AC逆變器。這種結(jié)構(gòu)適用于需要直接轉(zhuǎn)換的場景，如光伏儲能系統(tǒng)中的DC/AC逆變器?1。

?兩級拓撲?：結(jié)構(gòu)相對復雜，通常包含兩個轉(zhuǎn)換級，如DC/DC和DC/AC。這種結(jié)構(gòu)適用于需要電壓轉(zhuǎn)換和電流調(diào)節(jié)的場景，如傳統(tǒng)多口快充方案中的“PFC+LLC+多路Buck級聯(lián)”架構(gòu)?2。

?單級拓撲?：在特定應用中，單級拓撲通常具有更高的效率。例如，在單口輸出90W工況下，單級拓撲的效率可達92.3%，峰值效率可突破94%;在雙口輸出時，整體效率依然保持在91%以上，高壓輸入場景下效率優(yōu)勢更為明顯?2。

?兩級拓撲?：由于涉及多個轉(zhuǎn)換級，兩級拓撲的效率通常較低，存在效率疊加損耗的問題?2。

?單級拓撲?：由于結(jié)構(gòu)簡單，所需的組件較少，因此成本相對較低。例如，南芯PowerQuark SIMO方案通過單級拓撲替代傳統(tǒng)兩級架構(gòu)，省去了次級DC-DC控制器、電感及光耦等外圍器件，系統(tǒng)BOM精簡至僅需一顆主控芯片和協(xié)議芯片?2。

?兩級拓撲?：由于涉及多個轉(zhuǎn)換級和更多的外圍設備，成本相對較高?2。

?單級拓撲?：適用于需要直接轉(zhuǎn)換且對效率要求較高的場景，如光伏儲能系統(tǒng)中的并網(wǎng)系統(tǒng)?1。

?兩級拓撲?：適用于需要電壓轉(zhuǎn)換和電流調(diào)節(jié)的復雜應用，如傳統(tǒng)多口快充方案和光儲充一體化系統(tǒng)中的儲能變流器(PCS)?23。