在電動(dòng)汽車發(fā)展的進(jìn)程中，充電效率始終是影響其普及的關(guān)鍵因素。通過簡單公式可知，功率越大，充電時(shí)間越短。三相電源所能提供的功率最高可達(dá)單相電源的 3 倍，這為提升充電功率提供了一條可行路徑。而三相 PFC(功率因數(shù)校正)轉(zhuǎn)換器在其中扮演著極為重要的角色。

三相 PFC 提供的輸出電壓通常被固定在特定值，例如 700V(精度 5%)。得益于碳化硅(SiC)技術(shù)，熱容量能夠擴(kuò)展至更高范圍。以常見的 50Hz、230Vac 輸入電壓為例，基于三相 PFC 轉(zhuǎn)換器的車載充電器系統(tǒng)最大可交付功率達(dá)到 11kW。當(dāng)向輸入連接器提供 50Hz 的三相電壓時(shí)，由于 PFC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特性，輸出總線電容電壓會(huì)逐漸升高。在帶有 MOSFET 的無橋 PFC 電路中，每個(gè) MOSFET 上存在的寄生續(xù)流二極管保證了從輸入到輸出的電流路徑。當(dāng) MOSFET 全部關(guān)斷時(shí)，電路板可簡化為三相二極管橋，此時(shí)整流后的輸入交流電壓會(huì)依據(jù)電源電壓幅度和 MOSFET 體二極管的正向電壓，被設(shè)置到定義電平。

在實(shí)際工作流程中，兩個(gè)不同線路上的電阻被用作浪涌電流限制器。一旦總線電壓達(dá)到 400V，雙管反激變換器便開始工作，隨后一系列 DC/DC 穩(wěn)壓器開始運(yùn)作，生成為數(shù)字和模擬電路供電所需的其他電壓電平。在系統(tǒng)進(jìn)行微喚醒時(shí)，除了驗(yàn)證 ADC 通道的偏移電壓外，還會(huì)開始監(jiān)控總線電壓并檢測(cè)輸入電壓，以此確定電壓的頻率和相位角，該相位角將作為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正的基準(zhǔn)角。當(dāng)直流總線電壓達(dá)到平坦?fàn)顟B(tài)時(shí)，MCU 向繼電器發(fā)送指令，旁路電阻并允許輸出總線電壓進(jìn)一步升高。但電壓不會(huì)一步達(dá)到目標(biāo)值，而是跟隨一個(gè)平滑的斜坡發(fā)生器不斷變化，使總線電壓值按照參數(shù)化的斜坡最終達(dá)到 700V。

三相 PFC 轉(zhuǎn)換器在硬件保護(hù)方面，利用 NCV51705 柵極驅(qū)動(dòng)器的 DESAT 功能防止過電流事件。所有故障線路被集合在一起，生成到 MCU 的單個(gè)輸入，而該 MCU 將為 PWM 生成提供硬件停止信號(hào)。其控制算法類似于電機(jī)控制算法，內(nèi)部環(huán)路控制著電流分量，外部環(huán)路控制著總線電壓。由于 PFC 的核心目標(biāo)是保證每個(gè)相電壓和相電流之間的相位延遲為 0°，因此電壓調(diào)節(jié)作用于 D 軸電流。通過角度 θ 將電流相位延遲調(diào)節(jié)到 0°，這是 PFC 的主要任務(wù)。電壓位置用于通過克拉克和帕克變換，從靜止 abc 系統(tǒng)參考轉(zhuǎn)換到旋轉(zhuǎn) dq 坐標(biāo)系(對(duì)于 PFC，D 軸表示相電壓相量的幅值)。在 θ 已知的情況下，所有電量都可在 dq 系統(tǒng)中表示，這種簡化操作確保能夠使用簡單的 PI/PID 調(diào)節(jié)器。當(dāng)有常數(shù)作為參考量時(shí)，PI 調(diào)節(jié)器能有效地將誤差調(diào)節(jié)為零，但無法調(diào)節(jié)交流參考量。由于讀取延遲、快速 PWM 頻率、瞬時(shí)開關(guān)狀態(tài)和升壓電感等因素，每個(gè)相位中流動(dòng)的電流能在極短時(shí)間內(nèi)顯著變化。為克服這一問題，系統(tǒng)會(huì)在三個(gè)連續(xù)的 PWM 周期內(nèi)對(duì)電流進(jìn)行采樣。

在散熱設(shè)計(jì)上，由于提高開關(guān)頻率會(huì)導(dǎo)致更高的開關(guān)損耗，使芯片溫度升高，進(jìn)而增加傳導(dǎo)損耗(因?yàn)?RDS,ON 會(huì)隨溫度增大)，所以通常會(huì)在板上設(shè)置風(fēng)扇，對(duì) SiC MOSFET 所在位置的散熱器進(jìn)行冷卻。風(fēng)扇轉(zhuǎn)速可根據(jù)與 ID,REF 成正比的有效功率輸送來調(diào)節(jié)，占空比越高，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速越快，吹入的空氣越多。

從繼電器布局來看，上電時(shí)，安裝在板上的多個(gè)功率電阻器會(huì)限制浪涌電流。通過切換 INRUSH_OFF 引腳將數(shù)字值設(shè)置為高電平，可斷開電阻器。一旦發(fā)生故障事件，便不再向柵極驅(qū)動(dòng)器提供 PWM 信號(hào)，同時(shí) DISABLE 引腳再次投入工作。每個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器的故障引腳都匯集于 “or” 端口，共有六個(gè)輸入，然后所生成的 PWM_FAULT 將連接至 MCU 上可用的硬件 PWM 故障引腳。DISABLE 引腳應(yīng)初始化為 HIGH(高電平)，以禁用柵極驅(qū)動(dòng)器功能。當(dāng)控制策略能夠發(fā)送有效的占空比信息時(shí)，必須將 DISABLE 設(shè)置為低電平。

在測(cè)試環(huán)節(jié)，為板提供 50Hz 的 230Vrms 電壓，控制算法被配置為提供 100kHz 的開關(guān)頻率和 100ns 的死區(qū)時(shí)間。所用的升壓電感器具有 330H 的平均電感值，用于驅(qū)動(dòng) MOSFET 的柵極電阻值為 22Ω(對(duì)于源極)和 4.7Ω(對(duì)于漏極)，以確保在最大電流下具有特定的開關(guān)特性。針對(duì)不同情況，需實(shí)施并測(cè)試不同的 PWM 策略。每一項(xiàng)策略都會(huì)影響電感器高頻電流紋波，而低頻包絡(luò)線則跟隨輸出目標(biāo)功率。電流紋波不僅與 PWM 頻率和總線電壓有關(guān)，還受到零序電壓的嚴(yán)重影響，零序電壓會(huì)影響 PWM 周期中電感器兩端的電壓生成。

綜上所述，三相 PFC 轉(zhuǎn)換器通過獨(dú)特的電路設(shè)計(jì)、精準(zhǔn)的控制算法、有效的保護(hù)機(jī)制以及合理的散熱和測(cè)試方案，大幅提高了車載充電器的充電功率，為電動(dòng)汽車的快速充電和廣泛應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，三相 PFC 轉(zhuǎn)換器有望在提升充電功率、提高系統(tǒng)效率、降低成本等方面取得更大突破，推動(dòng)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)邁向新的高度。