三相 PFC 转换器如何大幅提高车载充电器的充电功率?

在电动汽车发展的进程中，充电效率始终是影响其普及的关键因素。通过简单公式可知，功率越大，充电时间越短。三相电源所能提供的功率最高可达单相电源的 3 倍，这为提升充电功率提供了一条可行路径。而三相 PFC(功率因数校正)转换器在其中扮演着极为重要的角色。

三相 PFC 提供的输出电压通常被固定在特定值，例如 700V(精度 5%)。得益于碳化硅(SiC)技术，热容量能够扩展至更高范围。以常见的 50Hz、230Vac 输入电压为例，基于三相 PFC 转换器的车载充电器系统最大可交付功率达到 11kW。当向输入连接器提供 50Hz 的三相电压时，由于 PFC 拓扑结构的特性，输出总线电容电压会逐渐升高。在带有 MOSFET 的无桥 PFC 电路中，每个 MOSFET 上存在的寄生续流二极管保证了从输入到输出的电流路径。当 MOSFET 全部关断时，电路板可简化为三相二极管桥，此时整流后的输入交流电压会依据电源电压幅度和 MOSFET 体二极管的正向电压，被设置到定义电平。

在实际工作流程中，两个不同线路上的电阻被用作浪涌电流限制器。一旦总线电压达到 400V，双管反激变换器便开始工作，随后一系列 DC/DC 稳压器开始运作，生成为数字和模拟电路供电所需的其他电压电平。在系统进行微唤醒时，除了验证 ADC 通道的偏移电压外，还会开始监控总线电压并检测输入电压，以此确定电压的频率和相位角，该相位角将作为系统实现功率因数校正的基准角。当直流总线电压达到平坦状态时，MCU 向继电器发送指令，旁路电阻并允许输出总线电压进一步升高。但电压不会一步达到目标值，而是跟随一个平滑的斜坡发生器不断变化，使总线电压值按照参数化的斜坡最终达到 700V。

三相 PFC 转换器在硬件保护方面，利用 NCV51705 栅极驱动器的 DESAT 功能防止过电流事件。所有故障线路被集合在一起，生成到 MCU 的单个输入，而该 MCU 将为 PWM 生成提供硬件停止信号。其控制算法类似于电机控制算法，内部环路控制着电流分量，外部环路控制着总线电压。由于 PFC 的核心目标是保证每个相电压和相电流之间的相位延迟为 0°，因此电压调节作用于 D 轴电流。通过角度 θ 将电流相位延迟调节到 0°，这是 PFC 的主要任务。电压位置用于通过克拉克和帕克变换，从静止 abc 系统参考转换到旋转 dq 坐标系(对于 PFC，D 轴表示相电压相量的幅值)。在 θ 已知的情况下，所有电量都可在 dq 系统中表示，这种简化操作确保能够使用简单的 PI/PID 调节器。当有常数作为参考量时，PI 调节器能有效地将误差调节为零，但无法调节交流参考量。由于读取延迟、快速 PWM 频率、瞬时开关状态和升压电感等因素，每个相位中流动的电流能在极短时间内显著变化。为克服这一问题，系统会在三个连续的 PWM 周期内对电流进行采样。

在散热设计上，由于提高开关频率会导致更高的开关损耗，使芯片温度升高，进而增加传导损耗(因为 RDS,ON 会随温度增大)，所以通常会在板上设置风扇，对 SiC MOSFET 所在位置的散热器进行冷却。风扇转速可根据与 ID,REF 成正比的有效功率输送来调节，占空比越高，风扇转速越快，吹入的空气越多。

从继电器布局来看，上电时，安装在板上的多个功率电阻器会限制浪涌电流。通过切换 INRUSH_OFF 引脚将数字值设置为高电平，可断开电阻器。一旦发生故障事件，便不再向栅极驱动器提供 PWM 信号，同时 DISABLE 引脚再次投入工作。每个栅极驱动器的故障引脚都汇集于 “or” 端口，共有六个输入，然后所生成的 PWM_FAULT 将连接至 MCU 上可用的硬件 PWM 故障引脚。DISABLE 引脚应初始化为 HIGH(高电平)，以禁用栅极驱动器功能。当控制策略能够发送有效的占空比信息时，必须将 DISABLE 设置为低电平。

在测试环节，为板提供 50Hz 的 230Vrms 电压，控制算法被配置为提供 100kHz 的开关频率和 100ns 的死区时间。所用的升压电感器具有 330H 的平均电感值，用于驱动 MOSFET 的栅极电阻值为 22Ω(对于源极)和 4.7Ω(对于漏极)，以确保在最大电流下具有特定的开关特性。针对不同情况，需实施并测试不同的 PWM 策略。每一项策略都会影响电感器高频电流纹波，而低频包络线则跟随输出目标功率。电流纹波不仅与 PWM 频率和总线电压有关，还受到零序电压的严重影响，零序电压会影响 PWM 周期中电感器两端的电压生成。

综上所述，三相 PFC 转换器通过独特的电路设计、精准的控制算法、有效的保护机制以及合理的散热和测试方案，大幅提高了车载充电器的充电功率，为电动汽车的快速充电和广泛应用奠定了坚实基础。随着技术的不断发展，三相 PFC 转换器有望在提升充电功率、提高系统效率、降低成本等方面取得更大突破，推动电动汽车产业迈向新的高度。