在AC-DC SMPS應(yīng)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(jí)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(huì)給電網(wǎng)帶來(lái)大量的諧波反饋。因此，電子儀器在接入電網(wǎng)時(shí)，需要遵循相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的功率因數(shù)規(guī)范和諧波限制。為了解決這些問(wèn)題，在大多數(shù)AC-DC應(yīng)用中，通常會(huì)使用功率因數(shù)校正技術(shù)。

光儲(chǔ)充一體化系統(tǒng)是一種集成了光伏發(fā)電、儲(chǔ)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(fù)荷，并應(yīng)對(duì)電力突發(fā)需求。PCS(Power Conversion System，儲(chǔ)能變流器)是該系統(tǒng)中的核心設(shè)備，負(fù)責(zé)將電池系統(tǒng)中的直流電轉(zhuǎn)換為與電網(wǎng)或負(fù)荷兼容的交流電，或?qū)⒔涣麟娹D(zhuǎn)換為直流電儲(chǔ)存到電池中。

儲(chǔ)能變流器(Power Conversion System，簡(jiǎn)稱PCS)，在電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)中，是連接于電池系統(tǒng)與電網(wǎng)(和/或負(fù)荷)之間實(shí)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(guò)程，進(jìn)行交直流的變換，在無(wú)電網(wǎng)情況下可以直接為交流負(fù)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(guò)通訊接收后臺(tái)控制指令，根據(jù)功率指令的符號(hào)及大小控制變流器對(duì)電池進(jìn)行充電或放電，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)有功功率及無(wú)功功率的調(diào)節(jié)。同時(shí)PCS可通過(guò)CAN接口與BMS通訊、干接點(diǎn)傳輸?shù)确绞?，獲取電池組狀態(tài)信息，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的保護(hù)性充放電，確保電池運(yùn)行安全。

雙向AC-DC變換器廣泛應(yīng)用在新能源、微電網(wǎng)和電動(dòng)汽車充電等領(lǐng)域[1-6]。如何實(shí)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(dòng)態(tài)性能是該類變換器的研究熱點(diǎn)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出系列雙向AC-DC變換拓?fù)洌凑胀負(fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為兩級(jí)式和單級(jí)式結(jié)構(gòu)。兩級(jí)式拓?fù)渫ǔＳ汕凹?jí)單相脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation, PWM)整流器和后級(jí)雙有源橋(Dual Active Bridge, DAB)或諧振變換器構(gòu)成[8-9]，該拓?fù)淇煽啃愿摺⒔Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定、前后級(jí)控制方法成熟，是目前車載充電器主流拓?fù)鋄10]形式。

相比兩級(jí)式拓?fù)洌瑔渭?jí)式拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)功率單級(jí)變換，具有高效、高功率密度和低成本等潛在優(yōu)勢(shì)。單級(jí)式拓?fù)涞慕涣鱾?cè)可采用工頻折疊電路+橋式電路，文獻(xiàn)[11]采用工頻折疊電路+DC-DC LLC諧振變換器實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)單級(jí)變換，文獻(xiàn)[12]的后級(jí)DC-DC電路則采用DAB拓?fù)洹Ａ硪环N實(shí)現(xiàn)方式是采用雙向開關(guān)，文獻(xiàn)[13]采用LLC諧振型的雙向開關(guān)單級(jí)AC-DC拓?fù)?，但由于諧振腔正反雙向非對(duì)稱，反向工作時(shí)效率會(huì)降低。本文采用DAB型的半橋雙向開關(guān)單級(jí)AC-DC拓?fù)洌哂兄麟娐方Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)對(duì)稱且控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

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(gè)自由度，難以在全負(fù)載范圍實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)[15]，且在輕載時(shí)存在較大環(huán)流。據(jù)此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了許多改進(jìn)的調(diào)制策略[16-19]。文獻(xiàn)[16]采用單移相調(diào)制+占空比調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)了寬負(fù)載范圍軟開關(guān)，但控制較為復(fù)雜。文獻(xiàn)[17]則在單移相調(diào)制基礎(chǔ)上加入DC側(cè)橋內(nèi)移相角，通過(guò)計(jì)算得到交流電流表達(dá)式并使其跟隨交流電壓，但還是無(wú)法實(shí)現(xiàn)全范圍的軟開關(guān)，且AC側(cè)開關(guān)管只能實(shí)現(xiàn)零電流開通，損耗較大。文獻(xiàn)[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(xiàn)[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(lái)的較大的電流應(yīng)力，但分段較多、控制復(fù)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(yīng) 用[20]，該策略通過(guò)控制電感電流為BCM使得其在每個(gè)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?？紤]到DAB型單級(jí)AC-DC變換器在僅采用移相調(diào)制時(shí)難以實(shí)現(xiàn)全負(fù)載軟開關(guān)，效率無(wú)法進(jìn)一步提高的問(wèn)題，本文提出了一種改進(jìn)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(shí)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一種簡(jiǎn)單而常見的電路結(jié)構(gòu)，它的特點(diǎn)是只有一個(gè)電源極性，可以通過(guò)開關(guān)控制器控制電路的導(dǎo)通和截止。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適用于低壓、小功率的電路，如LED燈、小型電機(jī)等。

雙極性電路開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是在單極性電路開關(guān)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，它的特點(diǎn)是有兩個(gè)電源極性，可以實(shí)現(xiàn)正反向的控制。這種拓?fù)浣Y(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(dòng)器、直流電機(jī)控制器等。多極性電路開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是在雙極性電路開關(guān)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，它的特點(diǎn)是具有多個(gè)電源極性，可以實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的控制。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適用于需要多種電壓、電流的電路，如電動(dòng)車控制器、太陽(yáng)能控制器等。

在選擇電路開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求進(jìn)行選擇。對(duì)于小功率、低壓的電路，可以選擇單極性電路開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);對(duì)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?fù)浣Y(jié)構(gòu);對(duì)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)。同時(shí)，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(hào)等?？傊?，電路開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是電路設(shè)計(jì)中一個(gè)重要的方面，選擇合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以提高電路的性能和穩(wěn)定性。

?單級(jí)拓?fù)渑c兩級(jí)拓?fù)涞闹饕獏^(qū)別在于結(jié)構(gòu)復(fù)雜度、效率、成本和適用場(chǎng)景等方面。?

?單級(jí)拓?fù)?：結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，通常只包含一個(gè)主要的轉(zhuǎn)換級(jí)，如DC/AC逆變器。這種結(jié)構(gòu)適用于需要直接轉(zhuǎn)換的場(chǎng)景，如光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)中的DC/AC逆變器?1。

?兩級(jí)拓?fù)?：結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，通常包含兩個(gè)轉(zhuǎn)換級(jí)，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(chǎng)景，如傳統(tǒng)多口快充方案中的“PFC+LLC+多路Buck級(jí)聯(lián)”架構(gòu)?2。

?單級(jí)拓?fù)?：在特定應(yīng)用中，單級(jí)拓?fù)渫ǔ＞哂懈叩男省＠?，在單口輸?0W工況下，單級(jí)拓?fù)涞男士蛇_(dá)92.3%，峰值效率可突破94%;在雙口輸出時(shí)，整體效率依然保持在91%以上，高壓輸入場(chǎng)景下效率優(yōu)勢(shì)更為明顯?2。

?兩級(jí)拓?fù)?：由于涉及多個(gè)轉(zhuǎn)換級(jí)，兩級(jí)拓?fù)涞男释ǔ］^低，存在效率疊加損耗的問(wèn)題?2。

?單級(jí)拓?fù)?：由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所需的組件較少，因此成本相對(duì)較低。例如，南芯PowerQuark SIMO方案通過(guò)單級(jí)拓?fù)涮娲鷤鹘y(tǒng)兩級(jí)架構(gòu)，省去了次級(jí)DC-DC控制器、電感及光耦等外圍器件，系統(tǒng)BOM精簡(jiǎn)至僅需一顆主控芯片和協(xié)議芯片?2。

?兩級(jí)拓?fù)?：由于涉及多個(gè)轉(zhuǎn)換級(jí)和更多的外圍設(shè)備，成本相對(duì)較高?2。

?單級(jí)拓?fù)?：適用于需要直接轉(zhuǎn)換且對(duì)效率要求較高的場(chǎng)景，如光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)中的并網(wǎng)系統(tǒng)?1。

?兩級(jí)拓?fù)?：適用于需要電壓轉(zhuǎn)換和電流調(diào)節(jié)的復(fù)雜應(yīng)用，如傳統(tǒng)多口快充方案和光儲(chǔ)充一體化系統(tǒng)中的儲(chǔ)能變流器(PCS)?23。