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三相维也纳PFC拓扑基本解析和主要功率器件计算

10月前浏览5770


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,  

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 MOSFETSiC 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。  

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, QA1QA2导通时,这个电压为0V,

B状态, 这个电压为1/2VDC, 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, 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,

3 三相电压输入表达式  

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。  

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。  

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Q7Q8共源极串联,而Q9Q10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。  

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。  

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trtf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2-82-9去近似,它计算开关损耗时使用了SiC MOSFETrisefall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。  

9 SiC MOSFET的开关损耗计算  

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

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来源:电源漫谈
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首次发布时间:2023-12-09
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