电动汽车快速充电教程：功率因数校正 (PFC) 级-感算商城

本文将介绍功率因数校正的工作原理、三相有源整流器的优势、三相有源整流器的工作原理等。

功率因数校正 (PFC) 级

电动汽车对快速充电能力的需求不断攀升，坦白说，这种需求十分迫切。预计到2027年，直流快速充电 (DCFC) 市场将以高达30% 的复合年增长率增长。

安森美（onsemi）对该市场的贡献之一是25 kW DCFC参考设计。它将同时适配北美480 VAC三相输入电压标准和欧洲400 VAC三相标准。它将交流电转换为直流电，输出电压范围为50 VDC至1000 VDC，整个范围内均能提供25 kW功率，但针对800 V电池进行了优化。对于低于500 V的电压，该功能块会降低功率，将输出电流限制在50 A，以符合现有电动汽车的直流充电标准，例如CCS和CHAdeMO。

25 kW功能块的有源前端 (AFE) 是一个带功率因数校正 (PFC) 的AC-DC升压转换器。其后方是一个双有源桥DC-DC级，使用两个PIM或两组PIM，在电网和电动汽车电池(负载)之间提供完全隔离，绕过电动汽车的OBC，并调节输出端的电压和电流。这种输电系统可以是双向的，不仅可将多余电力回馈至电网以降低成本，还能利用光伏和电池能源增强电网供电能力。

功率因数校正的工作原理

功率因数校正 (PFC) 是使输出功率尽可能接近输入功率的过程。从数学角度来说，功率因数PF计算如下：

这里，实际功率是指在一个给定周期内，电流和电压瞬时乘积的平均值。同时，视在功率是指电流的均方根值 (rms) 与电压的均方根值的乘积。从这个意义上讲，它体现了实际输出功率与所测电压和电流特性的匹配程度，也就是“感受到的功率”与“仪表上显示的功率”之间的差异。

设想您听到两个人唱两个音符，一个人发出“呜”的声音，另一个人发出“咿”的声音。即使这两个音的音高完全一致，声波的叠加也会产生您能听见的谐波——就像有第三个人与之合唱。当传输干净的电力时，PFC 的作用不仅是将输出波形修整得更顺滑，而且要清除伴生的谐波。

上面这组电源输出演示波形就说明了这一点：输入电压决定波的相位和频率。但是，当输入电流不匹配时，谐波就会产生，使功率波不够纯净，进而产生失真，降低PF 值（在这种情况下，降低至大约 60%）。测量发现， PFC一旦应用谐波抑制，相同电流会产生更大的实际功率，使 PF 更接近100%。

三相有源整流器的优势

任何AC-DC电源转换系统，为了高效、可靠地传输10 kW以上的功率，都需要在前端采用三相PFC拓扑。三相整流器可显著降低电源中的干扰和谐波成分，从而为锂离子电池输送更稳定的电力。(可将PFC理解为提供类似于“高辛烷值燃料”的服务。)

三相PFC提供恒定的直流功率输出，而单相系统则提供可变输出功率，通常需要低频滤波器。SiC MOSFET和二极管的引入，使快速EVC等大功率应用得以实现；得益于更高的击穿电压和更低的开关损耗，功率器件的效率得到了提升。这就为EVC等系统充分发挥三相电的优势铺平了道路。

采用家用120 VAC之类的单相电源输入时，瞬时输出电压和电流始终存在波动。这一特性使得实际系统常常需要使用低频滤波器来达到平衡。

若要将单相系统的功率输出提升至三倍，输电导线的数量也需相应增至三倍：电压相线三根，中性线三根。相比之下，采用平衡的三相电源输入时，每个电压相对于其他两个电压都有±120°的相移。因此，三个电压之和始终为零，从而无需任何中性线。现在三根导线就能胜任六根导线的工作。

三相有源整流器的工作原理

前端

第一级使用三对二极管。每一对都与一个交流电压波相关联，每对二极管中的一个二极管代表波峰，另一个二极管代表波谷。只有当电压波接近或处于峰值或谷值时，电流才会流过二极管。

此第一相的输出是仅含纹波的直流电流。此第一相利用安森美使用的一种拓扑结构——T型中性点箝位 (T-NPC)，如下图所示——实现了双向传输能力。它是一个采用三电平开关设计的1200V整流器，沿中性线路径以背靠背配对方式增加了六个双向开关。这样就无需使用整流桥来实现双向传输。

三电平开关不应与三相整流相混淆，尽管前者对PFC颇有益处。如上图所示，当开关处于“零电平”状态时，更容易利用其来构建更近似最终输出的波形。三电平开关拓扑大大降低了开关功率损耗，因为只有一半的总输出电压作用于某些二极管上。它还能减少电流纹波和电磁干扰，使电流更容易通过更小、更紧凑的电感器进行滤波，或者在可行的情况下，借用变压器固有的电感能力进行滤波。最适合三电平开关的器件通常是650 V SiC MOSFET。