仅使用 GaN 的双向图腾柱如图 1.1 所示，包括两个半桥臂。一个半桥开关处于高开关频率，被表示为高频桥臂。另一个半桥以线路频率进行开关，并表示为低频支路 [1]。在 PFC 模式下，电力从电网获取，而在并网模式下，电力以接近单位功率因数馈送到电网。
双向图腾柱
图1.1：双向图腾柱
直流侧 Y 型电容器代表 EMI 滤波器，也可以代表光伏电池板或负载的寄生电容器。在此拓扑中，高频开关器件在 PFC 模式和并网模式下均进行硬开关。这种拓扑结构具有卓越的效率和功率密度。新出现的宽带隙半导体器件可以完美匹配这种拓扑，因为它们的反向恢复电荷几乎为零。宽带隙器件的开关损耗相对较小，使其特别适合双向图腾柱中的 CCM 操作。由于没有线路整流器，与传统 PFC 相比，图腾柱转换器的传导损耗也有所减少。因此，使用全 GaN 器件的双向图腾柱更适合高效率和高功率密度应用。
双向图腾柱的应用
高效服务器和电信电源
双向板载电池充电器 (Bi-OBC)
太阳能逆变器
图腾柱中漏电电流的产生
从图 2.1 可以清楚地看出，直流母线 Y 型电容器“Cy1”和“Cy2”的中点接地。这意味着“Cy2”连接在直流负极端子和地之间，如图 2.2 所示。直流负极和地之间电压的任何变化都会对“Cy2”充电或放电 [2]。由于“G2”和“G4”的切换，直流负极与地之间的电压会发生变化。
带 Y 型帽的双向图腾柱
图 2.1：带 Y 型帽的双向图腾柱
由于通过“G4”为电流提供的低阻抗路径，“Cy2”的充电和放电仅通过“G4”完成。在混合 PWM 中，“G4”仅在过零时从 ON 转换为 OFF，反之亦然。对于整个正半周期或负半周期，“G4”两端的电压要么为 VDC，要么为零。这意味着在正半周或负半周期间，“G4”的漏极到源极电压没有突变，并且根据(1)中的电容器电流方程，“Cy2”不会充电或放电，从而不会产生漏电流。在过零处，由于“G4”漏极到源极电压的突然变化，“Cy2”将出现电压突然变化，导致电流尖峰，根据等式（1）对其进行充电或放电。
$$i_{CY2} = CY2 \times \frac{dv_{CY2}}{dt} \quad (1)$$
这种现象仅在过零处产生漏电流。漏电流会增加传导和辐射电磁发射。漏电流也会施加到线路电流和中性电流上，并且会根据流动方向而增加或减少，从而导致接近零交叉的失真。漏电流与寄生电容或 Y 电容两端的电压变化率成正比。电压的变化率取决于“G4”的开关速度，如果“G4”是GaN，则开关速度比任何其他半导体器件都快。所选 GaN 需要 9ns 开启，15.5ns 关闭 [3]。电压波动将对寄生或直流侧 Y 电容器充电和放电。
对于光伏电池板 – 光伏电池和接地的金属框架之间存在寄生电容。使用混合 PWM 的接地电压（直流负极与地之间的电位）与“G4”的漏极至源极电压相同，并且在过零处经历急剧转变，这将对寄生电容进行充电和放电。如果有人不小心接触到光伏电池板的表面，漏电流将流过人的身体（由于没有任何其他低阻抗路径）。如果漏电流过高，可能会造成触电或人身伤害。
对于直流总线电容器 – 直流总线电容器上的 Y 电容通常在设计中用作 EMI 滤波器，其作用与光伏电池板中的寄生电容相同。直流电源的接地电流将会增加，如果该电流超过保护限值，直流电源可能会随机跳闸并干扰双向图腾柱的整个运行。
G4 上带有 Y 帽的双向图腾柱
图 2.2：G4 上带有 Y 帽的双向图腾柱
PFC 模式下的双向图腾柱
正半周期间（参见图3.1）——G2为主开关管，G1反向导通同步整流，G4在整个半周期内持续导通。当G2导通时，差动电流路径为“P-Ls-A-G2-G4-BN”。能量存储在电感器 (Ls) 中。电容器 CDC 为负载供电。
PFC 模式下的双向图腾柱（正半期间）
图 3.1：PFC 模式下的双向图腾柱（正半期间）
当G1导通时，差分电流路径为“P-Ls-A-G1-CDC-G4-BN”。电容器CDC由电网充电。存储在电感器中的能量和来自电网的能量提供给直流母线 (CDC)。在正向负转换期间（在过零处）充电的 Y 电容“Cy2”将通过 G4 快速放电，电流的返回路径是通过接地和线路侧 Y 电容。漏电流路径为“Cy2-G4-B-Cz2-穿地”。
PFC 模式下的双向图腾柱（负半区）
图 3.2：PFC 模式下的双向图腾柱
（负半区）
负半周期（参见图3.2）——G1为主开关管，G2反向导通同步整流，G3在整个半周期持续导通。当 G1 为 ON 时，差分电流路径为“PB-G3-G1-A-Ls-N”。电容器 CDC 为负载供电。能量存储在电感器 (Ls) 中。当 G2 为 ON 时，差分电流路径为“PB-G3-CDC-G2-A-Ls-N”。电容器CDC已充电。存储在电感器中的能量和来自电网的能量被提供给直流母线。 Y 电容“Cy2”将在正向负转换期间（在过零处）快速充电，并且电流的返回路径通过接地。漏电流路径为“Cz2-B-G3-CDC-Cy2-穿地”。
并网模式下的双向图腾柱
在正半周期期间（参见图 4.1） – G1 为主开关，G2 使用同步整流反向导通，G4 在整个半周期持续导通。当G1导通时，差动电流路径为“DC(+)-G1-A-Ls-PNB-G4-DC(-)”。
电容器 CDC 向电网供电。当 G2 接通时，电感器能量通过“Ls-PNB-G4-G2-A”续流。漏电流路径与正半周的 PFC 模式类似。
在负半周期（参见图 4.2） – G2 为主开关，G1 使用同步整流反向导通，G3 在整个半周期持续导通。当G2导通时，差动电流路径为“DC(+)-G3-BPN-Ls-A-G2-DC(-)”。电容器 CDC 为电网供电。当G1导通时，电感将通过“Ls-A-G1-G3-BP”续流。漏电流路径与负半周的 PFC 模式类似。
在没有交流侧 Y 型电容器的情况下，漏地电流将继续流动，并通过交流侧中性点找到另一条路径，该中性点接地，如图 4.3 和 4.4 所示。
并网模式双向图腾柱仿真结果
图 1.1 的电路在并网模式下进行仿真，以确认漏地电流的路径。参考电网电压，可以看出仅在过零处观察到漏地电流。
从仿真中可以清楚地看出，流过交流侧 Y 电容器“Cz2”的电流与流过直流侧 Y 电容器“Cy2”的电流相同。仿真结果还显示了“Cy2”两端的电压，仅当“G4”从开状态变为关状态时才会改变状态，反之亦然，并且该电压与“G4”的漏源电压相同。
并网模式下的双向图腾柱（正半区）
图 4.1：并网模式下的双向图腾柱
（正半期间）
并网模式下的双向图腾柱（负半区）
图 4.2：并网模式下的双向图腾柱
（负半区）
没有交流侧 Y 型电容器时的接地泄漏电流路径（负向正过渡）
图 4.3：没有交流侧 Y 型电容器时的接地泄漏电流路径
（负向正过渡）
没有交流侧 Y 型电容器时的接地泄漏电流路径（正向负过渡）
图 4.4：没有交流侧 Y 型电容器时的接地泄漏电流路径
（正向负过渡）
并网模式下双向图腾柱的硬件结果
图 1.1 中的电路被构建并作为并网逆变器运行以证明仿真结果。过零处的尖锐电流脉冲如图 6.1 所示，与图 5.1 类似。尖锐脉冲是对“Cy2”充电或放电的地电压突然变化的结果，与仿真结果相符。
在并网模式下使用混合 PWM 的仿真结果
图 5.1：并网模式下使用混合 PWM 的仿真结果
直流电源实验接地电流
图 6.1：直流电源的实验接地电流
