「专利解密」华为新型功率变换电路

【嘉德点评】华为公司的该项专利提出的功率变换电路与控制方法，可以有效提高光伏电源的转换效率。

集微网消息，国际第三代半导体全球总决赛中，诸多参赛团队在半导体材料研发、功率器件、芯片技术、传感技术等方面展开了激烈角逐，展示了国际半导体领域的快速发展活力。

在半导体应用的光伏技术领域，功率变换与逆变技术是核心关键。在光伏并网发电系统中，逆变器作为其中的关键设备，其变换效率和性能直接决定了发电系统的收益。为了降低逆变器的成本，当前的逆变器多采用非隔离架构，通过双级继电器实现光伏的直接并网发电。而单相电网系统中，通常电网的一端通过输电线在远端接地，此时光伏板、逆变器和电网通过大地形成通流回路，该回路会导致严重的漏电流问题。该漏电流一方面会导致人身安全问题，另一方面会增加逆变器损耗，降低逆变器的转换效率。

为解决这一问题，早在2019年4月17日，华为就提出了一项名为“一种功率变换电路、逆变器及控制方法”的发明专利(申请号：201910310890.9)，申请人为华为技术有限公司。此专利公开了一种功率变换电路，可以提高逆变器的转换效率，并减少共模漏电流，并提供了相应的逆变器以及混合调制的控制方法，其应用场景如图1所示。

图1 典型供电系统应用场景

图一为不间断电源供电系统架构，正常情况下市电直接向负载供电，同时工频交流市电可以经过AC/DC变换器转化为直流电，并通过DC/DC直流变换器对电池充电，当市电发生故障时，电池经过DC/DC变换器与DC/AC逆变器将直流电转换为交流电，对负载进行供电，此专利提供的功率变换电路及混合调制控制方法就是直接应用于AC/DC整流器或DC/AC逆变器运行过程中。

图2 功率变换电路结构图

此专利提出的功率变换电路如图2所示，包括直流侧电路701、开关网络702、控制电路703、滤波电路704和交流侧电路705。其中开关网络与直流侧电路、控制电路和滤波电路相连，控制电路用于控制开关网络按照预设的调制方案使得从直流侧电路输入的直流电转化为交流电，滤波电路滤除开关网络在调制过程中产生的高频纹波，并将处理后的交流电传输到交流测电路。

在实际的电路结构图中，直流侧电路包括正母线、负母线和母线电容，开关网络包括两路流桥臂，换流臂由开关管组成。滤波电路由功率电感La1、共模电感Lcm、第一差模滤波电容Cdm、第一共模滤波电容Ccm1组成。基于此电路可以发现，共模滤波电容将共模漏电流抽回直流侧电路，从而提供共模漏电流低阻抗回路，可以显著降低逆变器的对地漏电流。同时控制电路要基于控制逻辑对开关网络中的开关频率进行控制，此逻辑可为单极性调制或者单极性双极性混合调制。

在单极性调制的场景下，虽然此控制逻辑可以减小输出功率电感，但却在电压过零处导致极其严重的共模电压，该共模电压一方面导致共模电感伏秒高，所需共模电感体积大，成本高;另一方面，该共模电压在共模电感上会导致十分严重的高频损耗。为充分利用单极性调制的优势，同时减小所提电路中的共模电感体积，此专利提出一种混合调制的控制方法，并在控制电路中实现，通过两路正弦载波控制两路换流臂的开关器件从而控制整个功率电源系统。

图3 控制电路效率

此专利提出的控制方法功率-效率图如图3所示，由于相比于双极性调制，单极性调制在工频电压过零处共模电压严重，在低负载下导致极严重的共模电感高频损耗，效率较低。随着输出功率的增加，单极性调制半导体开关损耗减半的优势得到体现，逆变器效率增加。图3中曲线显示，相比单极性调制和双极性调制，此专利的混合调制控制策略可充分利用单极性调制和双极性调制的优势，一方面降低半导体损耗，另一方面减小所需共模电感。

华为公司在全球半导体产业中具有强大的竞争力，此专利提出的功率变换电路与控制方法可以有效提高光伏电源的转换效率，并在一定程度上加速半导体产业的发展与创新。