【導(dǎo)讀】摘要：《實現(xiàn)電動汽車快速充電教程》從技術(shù)層面深入探討驅(qū)動下一代電動汽車充電系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計與相關(guān)器件。重點涵蓋兆瓦級電動汽車充電技術(shù)背后的設(shè)計挑戰(zhàn)與創(chuàng)新、分立式方案和功率集成模塊（PIM）方案如何助力構(gòu)建可擴(kuò)展、高效且可靠的快速充電基礎(chǔ)設(shè)施。我們已經(jīng)介紹過：《兆瓦級充電系統(tǒng)架構(gòu)、雙有源橋的應(yīng)用前景等》《電動汽車充電樁的電壓等級分類、現(xiàn)代電動汽車充電樁的規(guī)格概覽》《分立組裝與模塊組裝、兆瓦級充電的可行性實現(xiàn)路徑、液冷難題等》。本文將介紹功率因數(shù)校正的工作原理、三相有源整流器的優(yōu)勢、三相有源整流器的工作原理等。
（一）功率因數(shù)校正（PFC）級
電動汽車對快速充電能力的需求不斷攀升，坦白說，這種需求十分迫切。預(yù)計到2027年，直流快速充電（DCFC）市場將以高達(dá)30%的復(fù)合年增長率增長。
安森美（onsemi）對該市場的貢獻(xiàn)之一是25kW DCFC參考設(shè)計。它將同時適配北美480VAC三相輸入電壓標(biāo)準(zhǔn)和歐洲400VAC三相標(biāo)準(zhǔn)。它將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，輸出電壓范圍為50VDC至1000VDC，整個范圍內(nèi)均能提供25kW功率，但針對800V電池進(jìn)行了優(yōu)化。對于低于500V的電壓，該功能塊會降低功率，將輸出電流限制在50A，以符合現(xiàn)有電動汽車的直流充電標(biāo)準(zhǔn)，例如CCS和CHAdeMO。
25kW功能塊的有源前端（AFE）是一個帶功率因數(shù)校正（PFC）的AC-DC升壓轉(zhuǎn)換器。其后方是一個雙有源橋DC-DC級，使用兩個PIM或兩組PIM，在電網(wǎng)和電動汽車電池（負(fù)載）之間提供完全隔離，繞過電動汽車的OBC，并調(diào)節(jié)輸出端的電壓和電流。這種輸電系統(tǒng)可以是雙向的，不僅可將多余電力回饋至電網(wǎng)以降低成本，還能利用光伏和電池能源增強電網(wǎng)供電能力。
（二）功率因數(shù)校正的工作原理
功率因數(shù)校正（PFC）是使輸出功率盡可能接近輸入功率的過程。從數(shù)學(xué)角度來說，功率因數(shù)PF計算如下：
這里，實際功率是指在一個給定周期內(nèi)，電流和電壓瞬時乘積的平均值。同時，視在功率是指電流的均方根值（rms）與電壓的均方根值的乘積。從這個意義上講，它體現(xiàn)了實際輸出功率與所測電壓和電流特性的匹配程度，也就是“感受到的功率”與“儀表上顯示的功率”之間的差異。
設(shè)想您聽到兩個人唱兩個音符，一個人發(fā)出“嗚”的聲音，另一個人發(fā)出“咿”的聲音。即使這兩個音的音高完全一致，聲波的疊加也會產(chǎn)生您能聽見的諧波——就像有第三個人與之合唱。當(dāng)傳輸干凈的電力時，PFC的作用不僅是將輸出波形修整得更順滑，而且要清除伴生的諧波。
上面這組電源輸出演示波形就說明了這一點：輸入電壓決定波的相位和頻率。但是，當(dāng)輸入電流不匹配時，諧波就會產(chǎn)生，使功率波不夠純凈，進(jìn)而產(chǎn)生失真，降低PF值（在這種情況下，降低至大約60%）。測量發(fā)現(xiàn)，PFC一旦應(yīng)用諧波抑制，相同電流會產(chǎn)生更大的實際功率，使PF更接近100%。
（三）三相有源整流器的優(yōu)勢
任何AC-DC電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，為了高效、可靠地傳輸10kW以上的功率，都需要在前端采用三相PFC拓?fù)?。三相整流器可顯著降低電源中的干擾和諧波成分，從而為鋰離子電池輸送更穩(wěn)定的電力。（可將PFC理解為提供類似于“高辛烷值燃料”的服務(wù)。）
三相PFC提供恒定的直流功率輸出，而單相系統(tǒng)則提供可變輸出功率，通常需要低頻濾波器。SiC MOSFET和二極管的引入，使快速EVC等大功率應(yīng)用得以實現(xiàn)；得益于更高的擊穿電壓和更低的開關(guān)損耗，功率器件的效率得到了提升。這就為EVC等系統(tǒng)充分發(fā)揮三相電的優(yōu)勢鋪平了道路。
采用家用120VAC之類的單相電源輸入時，瞬時輸出電壓和電流始終存在波動。這一特性使得實際系統(tǒng)常常需要使用低頻濾波器來達(dá)到平衡。
若要將單相系統(tǒng)的功率輸出提升至三倍，輸電導(dǎo)線的數(shù)量也需相應(yīng)增至三倍：電壓相線三根，中性線三根。相比之下，采用平衡的三相電源輸入時，每個電壓相對于其他兩個電壓都有±120°的相移。因此，三個電壓之和始終為零，從而無需任何中性線?，F(xiàn)在三根導(dǎo)線就能勝任六根導(dǎo)線的工作。
（四）三相有源整流器的工作原理
前端
第一級使用三對二極管。每一對都與一個交流電壓波相關(guān)聯(lián)，每對二極管中的一個二極管代表波峰，另一個二極管代表波谷。只有當(dāng)電壓波接近或處于峰值或谷值時，電流才會流過二極管。
此第一相的輸出是僅含紋波的直流電流。此第一相利用安森美使用的一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)——T型中性點箝位（T-NPC），如下圖所示——實現(xiàn)了雙向傳輸能力。它是一個采用三電平開關(guān)設(shè)計的1200V整流器，沿中性線路徑以背靠背配對方式增加了六個雙向開關(guān)。這樣就無需使用整流橋來實現(xiàn)雙向傳輸。
三電平開關(guān)不應(yīng)與三相整流相混淆，盡管前者對PFC頗有益處。如上圖所示，當(dāng)開關(guān)處于“零電平”狀態(tài)時，更容易利用其來構(gòu)建更近似最終輸出的波形。三電平開關(guān)拓?fù)浯蟠蠼档土碎_關(guān)功率損耗，因為只有一半的總輸出電壓作用于某些二極管上。它還能減少電流紋波和電磁干擾，使電流更容易通過更小、更緊湊的電感器進(jìn)行濾波，或者在可行的情況下，借用變壓器固有的電感能力進(jìn)行濾波。最適合三電平開關(guān)的器件通常是650V SiC MOSFET。
調(diào)制器
三相整流器第二級的作用是使輸出波形平滑。首先，正負(fù)極之間的電容在紋波過大時吸收電子，在紋波處于或接近谷值時釋放電子。三相系統(tǒng)不需要大電容。
接下來，采用脈沖波調(diào)制（PWM）將這種平滑的直流電流塑造成在目標(biāo)頻率下近似正弦波的波形。為了完成調(diào)制，六個IGBT充當(dāng)波形反相器的雙向開關(guān)。對于每種設(shè)置，這些開關(guān)按精確且變化的時序?qū)ê完P(guān)斷，從而改變電流路徑。電流輸出疊加后，整體波形更加平坦。
包含整流器的PFC功能塊汲取與交流輸入電壓同相的交流電流，從而在最大限度提升功率因數(shù)（PF）的同時，盡量減少諧波失真。理想情況下，功率因數(shù)保持在1或非常接近1的水平，且沒有任何失真。PF應(yīng)保持在0.97到1.0之間。
