三相维也纳PFC拓扑基本解析和主要功率器件计算

大家好，我是电源漫谈，三相维也纳PFC拓扑广泛应用于新能源汽车充电桩，以及大功率开关电源，在30kW的功率等级下，可以达到98.6%以上的效率，相比较于标准的三相BOOST PFC，它可以减小功率MOSFET的电压应力，降低开关损耗，提高开关频率以改善磁性元件的体积等优势。  

三相维也纳PFC的基本框图如图1所示，  

图1 三相维也纳PFC的基本框图  

三相AC电压输入连接到三相共模和差模滤波器，它用来衰减由三相有源PFC电路产生的传导高频噪声，三相维也纳整流功能作为一个三相BOOST变换器，将AC母线输入电压升压到700VDC输出，强制产生和输入正弦三相电压同相位的输入正弦电流。  

此处我们以全碳化硅方案为例说明，其中，每一相电路由BOOST电感，一对SiC SBD的整流管，和一组串联连接的SiC MOSFET，SiC MOSFET连接在电容分压器的中心点，可以减小SiC MOSFET承受的电压应力，另外，每一相电路由两个SiC SBD组成BOOST电路，在正和负的半周期AC电压内运行，SiC MOSFET开关通过数字控制器控制，三电平调制策略，强制正弦电流和输入电压同相。  

图2 三相维也纳PFC简化电路原理图  

电路原理简图如图2所示，这个拓扑本身是一个三电平拓扑，定义了三个可能的中点开关状态，三个状态取决于开关状态，和输入电流流向。  

这里，我们使用相位A作为一个例子，跨过串联连接的SiC MOSFET的电压如下分析：  

A状态, 当QA1和QA2导通时，这个电压为0V,

B状态, 这个电压为1/2VDC, 当QA1, QA2关断，输入电流流过正方向，流入相位节点，这个时候SiC SBD的上管DA1导通，相位节点Va钳位到VDC,

C状态, 这个电压为-1/2 VDC, 当QA1, QA2关断时，输入电流流进负的方向，流出相位节点，这个条件下，SiC SBD的下管DA2导通，相位节点Va钳位到DC电压的负端。以上分析未考虑SiC SBD的压降。  

输入源定义，VA(t)，VB(t)，VC(t)是瞬时的母线对中点的正弦输入电压，频率为w0/2Π，其中VM是峰值输入电压，线到中点，三相中每一相都具有同样的峰值电压及RMS电压，分别错相120C,系统输入功率和输出功率及效率有关，IIN是峰值输入的母线电流，相关表达式如下图3所示，

图3 三相电压输入表达式  

图4 输入电流峰值及系统电压增益计算  

由上图可以计算出输入电流峰值，同时根据设定的输出稳态电压，及输入相电压的峰值，可以得到输入输出电压增益。  

图5 SiC SBD的平均电流及RMS电流计算  

根据图5中所述的公式，可以推导出作为续流管的SiC SBD的电流，此处分为平均电流ID(AVE),以及RMS电流ID(RMS),这两个电流和输入相电流峰值，以及电压增益相关，输入相电流越大，则二极管的平均值或者有效值电流越大，而电压增益越高，则二极管的平均值或者有效值电流越小。  

对于二极管损耗来说，其平均功耗是使用平均二极管电流IDAVE乘以这个条件下的正向压降得到。由于其结电容导致在SiC SBD上的功耗是相对较小，可以在这个计算中忽略。  

图6 主拓扑中的双向开关  

如前所述，在这个形式的三相维也纳PFC中，每一相有一个双向开关，这个双向开关包含两个SiC MOSFET以共源极的方式串联连接，通过这种连接方式，可以减小驱动电路复杂性和系统成本。即上图6中所示的，Q7,8,9,10, 其中Q7和Q8共源极串联，而Q9和Q10共源极串联，二者并联实现更大功率，这里为30kW.

SiC MOSFET的电流和功率计算如下图7所示，针对每一个整流器LEG，并且假定计算的电流和功耗是均分在并联的每一个管子上的。  

图7 SiC MOSFET的通过电流计算  

SiC MOSFET的损耗是由Rdson导致的导通损耗，开关切换导致的开通和关断损耗组成。  

图8 MOSFET导通损耗计算  

导通损耗即由通常的电阻损耗公式计算，如图8所示。  

每一个SiC mosfet具有的功耗，分别在正和负的周期中，SiC MOSFET,Q7,Q9是在正向AC电压时做开关高频切换，目的为了改善效率，而SiC MOSFT Q8,Q10是在正的AC周期中是一直导通的，但是不进行开关动作，这样就可以避免体二极管上的导通，减小SiC MOSFET的功率耗散，  

相反的，在负的AC周期中，SiC MOSFET Q8,Q10是开关的，但是Q7,Q9是导通的，原理如上。当计算导通损耗，功率耗散在正和负的周期时必须考虑这些因素。  

开关损耗发生在，在开通和关断过程中，当SiC MOSFET的电流和电压同时出现时，开关的功率耗散取决于电压，电流，开关频率，和tr，tf等时间因素。对于开关损耗部分，当在拓扑中具有固定的开关电流时，相对比较容易计算。然而，SiC MOSFET的峰值电流在维也纳PFC中被正弦波调制，并且为了改善谐波抑制加入了三次谐波。由于这个原因，开关损耗计算不如使用仿真得到的更精确，然而，开关损耗可以使用图9中的2-8，2-9去近似，它计算开关损耗时使用了SiC MOSFET的rise和fall时间，这个等式中，因为SiC MOSFT仅仅开关半个AC周期，另一半时，SiC MOSFET不开关，因此，SiC MOSFET平均电流只用一半。  

图9 SiC MOSFET的开关损耗计算  

参考资料，3-Phase 30 kW Vienna PFC Reference Design，Microchip

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