【導讀】摘要：《實現電動汽車快速充電教程》從技術層面深入探討驅動下一代電動汽車充電系統的架構設計與相關器件。重點涵蓋兆瓦級電動汽車充電技術背后的設計挑戰與創新、分立式方案和功率集成模塊（PIM）方案如何助力構建可擴展、高效且可靠的快速充電基礎設施。我們已經介紹過：《兆瓦級充電系統架構、雙有源橋的應用前景等》《電動汽車充電樁的電壓等級分類、現代電動汽車充電樁的規格概覽》《分立組裝與模塊組裝、兆瓦級充電的可行性實現路徑、液冷難題等》。本文將介紹功率因數校正的工作原理、三相有源整流器的優勢、三相有源整流器的工作原理等。
（一）功率因數校正（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。預計到2027年，直流快速充電（DCFC）市場將以高達30%的復合年增長率增長。
安森美（onsemi）對該市場的貢獻之一是25kW DCFC參考設計。它將同時適配北美480VAC三相輸入電壓標準和歐洲400VAC三相標準。它將交流電轉換為直流電，輸出電壓范圍為50VDC至1000VDC，整個范圍內均能提供25kW功率，但針對800V電池進行了優化。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，以符合現有電動汽車的直流充電標準，例如CCS和CHAdeMO。
25kW功能塊的有源前端（AFE）是一個帶功率因數校正（PFC）的AC-DC升壓轉換器。其后方是一個雙有源橋DC-DC級，使用兩個PIM或兩組PIM，在電網和電動汽車電池（負載）之間提供完全隔離，繞過電動汽車的OBC，并調節輸出端的電壓和電流。這種輸電系統可以是雙向的，不僅可將多余電力回饋至電網以降低成本，還能利用光伏和電池能源增強電網供電能力。
（二）功率因數校正的工作原理
功率因數校正（PFC）是使輸出功率盡可能接近輸入功率的過程。從數學角度來說，功率因數PF計算如下：
這里，實際功率是指在一個給定周期內，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。
設想您聽到兩個人唱兩個音符，一個人發出“嗚”的聲音，另一個人發出“咿”的聲音。即使這兩個音的音高完全一致，聲波的疊加也會產生您能聽見的諧波——就像有第三個人與之合唱。當傳輸干凈的電力時，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，當輸入電流不匹配時，諧波就會產生，使功率波不夠純凈，進而產生失真，降低PF值（在這種情況下，降低至大約60%）。測量發現，PFC一旦應用諧波抑制，相同電流會產生更大的實際功率，使PF更接近100%。
（三）三相有源整流器的優勢
任何AC-DC電源轉換系統，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拓撲。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定的電力。（可將PFC理解為提供類似于“高辛烷值燃料”的服務。）
三相PFC提供恒定的直流功率輸出，而單相系統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等大功率應用得以實現；得益于更高的擊穿電壓和更低的開關損耗，功率器件的效率得到了提升。這就為EVC等系統充分發揮三相電的優勢鋪平了道路。
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常常需要使用低頻濾波器來達到平衡。
若要將單相系統的功率輸出提升至三倍，輸電導線的數量也需相應增至三倍：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在三根導線就能勝任六根導線的工作。
（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聯，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撲結構——T型中性點箝位（T-NPC），如下圖所示——實現了雙向傳輸能力。它是一個采用三電平開關設計的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。這樣就無需使用整流橋來實現雙向傳輸。
三電平開關不應與三相整流相混淆，盡管前者對PFC頗有益處。如上圖所示，當開關處于“零電平”狀態時，更容易利用其來構建更近似最終輸出的波形。三電平開關拓撲大大降低了開關功率損耗，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行濾波。最適合三電平開關的器件通常是650V SiC MOSFET。
調制器
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。三相系統不需要大電容。
接下來，采用脈沖波調制（PWM）將這種平滑的直流電流塑造成在目標頻率下近似正弦波的波形。為了完成調制，六個IGBT充當波形反相器的雙向開關。對于每種設置，這些開關按精確且變化的時序導通和關斷，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（PF）的同時，盡量減少諧波失真。理想情況下，功率因數保持在1或非常接近1的水平，且沒有任何失真。PF應保持在0.97到1.0之間。
