《实现电动汽车快速充电教程》聚焦于从技术层面深入剖析驱动下一代电动汽车充电系统的架构设计以及相关器件。该教程着重探讨了兆瓦级电动汽车充电技术背后的设计挑战与创新，同时介绍了分立式方案和功率集成模块（PIM）方案如何助力构建可扩展、高效且可靠的快速充电基础设施。此前，我们已经了解了《兆瓦级充电系统架构、双有源桥的应用前景等》《电动汽车充电桩的电压等级分类、现代电动汽车充电桩的规格概览》《分立组装与模块组装、兆瓦级充电的可行性实现路径、液冷难题等》。本文将详细介绍功率因数校正的工作原理、三相有源整流器的优势以及三相有源整流器的工作原理。
功率因数校正（PFC）级
随着电动汽车的普及，其对快速充电能力的需求愈发迫切。相关数据显示，预计到 2027 年，直流快速充电（DCFC）市场将以高达 30% 的复合年增长率增长。
安森美（onsemi）推出的 25kW DCFC 参考设计，是该公司对这一市场的重要贡献。此设计同时适配北美 480VAC 三相输入电压标准和欧洲 400VAC 三相标准。它能够将交流电转换为直流电，输出电压范围为 50VDC 至 1000VDC，并且在整个范围内均能提供 25kW 功率，不过针对 800V 电池进行了优化。对于低于 500V 的电压，该功能块会降低功率，将输出电流限制在 50A，以符合现有电动汽车的直流充电标准，例如 CCS 和 CHAdeMO。
这个 25kW 功能块的有源前端（AFE）是一个带功率因数校正（PFC）的 AC - DC 升压转换器。其后是一个双有源桥 DC - DC 级，使用两个 PIM 或两组 PIM，在电网和电动汽车电池（负载）之间提供完全隔离，绕过电动汽车的 OBC，并调节输出端的电压和电流。值得一提的是，这种输电系统可以是双向的，不仅能够将多余电力回馈至电网以降低成本，还能利用光伏和电池能源增强电网供电能力。
功率因数校正的工作原理
功率因数校正（PFC）旨在使输出功率尽可能接近输入功率。从数学角度来看，功率因数 PF 的计算方式如下：实际功率是指在一个给定周期内，电流和电压瞬时乘积的平均值；而视在功率是指电流的均方根值（rms）与电压的均方根值的乘积。从这个意义上讲，功率因数体现了实际输出功率与所测电压和电流特性的匹配程度，即 “感受到的功率” 与 “仪表上显示的功率” 之间的差异。
为了更好地理解 PFC 的作用，我们可以做一个形象的比喻。设想两个人分别发出 “呜” 和 “咿” 的声音，即使音高一致，声波叠加也会产生谐波，就像有第三个人在合唱。在电力传输中，当输入电流与输入电压不匹配时，谐波就会产生，使功率波不够纯净，进而产生失真，降低 PF 值（在某些情况下，可能降低至大约 60%）。而 PFC 的作用不仅是将输出波形修整得更顺滑，而且要清除伴生的谐波。通过应用谐波抑制，相同电流会产生更大的实际功率，使 PF 更接近 100%。
三相有源整流器的优势
在任何 AC - DC 电源转换系统中，若要高效、可靠地传输 10kW 以上的功率，前端通常需要采用三相 PFC 拓扑。三相整流器能够显著降低电源中的干扰和谐波成分，从而为锂离子电池输送更稳定的电力，可将其理解为提供类似于 “高辛烷值燃料” 的服务。
与单相系统相比，三相 PFC 具有明显的优势。三相 PFC 能够提供恒定的直流功率输出，而单相系统则提供可变输出功率，通常需要低频滤波器。SiC MOSFET 和二极管的引入，使得快速 EVC 等大功率应用得以实现，因为更高的击穿电压和更低的开关损耗提升了功率器件的效率，为 EVC 等系统充分发挥三相电的优势铺平了道路。
采用家用 120VAC 之类的单相电源输入时，瞬时输出电压和电流始终存在波动，这使得实际系统常常需要使用低频滤波器来达到平衡。若要将单相系统的功率输出提升至三倍，输电导线的数量也需相应增至三倍：电压相线三根，中性线三根。相比之下，采用平衡的三相电源输入时，每个电压相对于其他两个电压都有 ±120° 的相移，因此三个电压之和始终为零，从而无需任何中性线，三根导线就能胜任六根导线的工作。
三相有源整流器的工作原理
前端：级使用三对二极管，每一对都与一个交流电压波相关联，每对二极管中的一个代表波峰，另一个代表波谷。只有当电压波接近或处于峰值或谷值时，电流才会流过二极管。此相的输出是仅含纹波的直流电流。安森美使用的 T 型中性点箝位（T - NPC）拓扑结构实现了双向传输能力。这是一个采用三电平开关设计的 1200V 整流器，沿中性线路径以背靠背配对方式增加了六个双向开关，无需使用整流桥即可实现双向传输。
需要注意的是，三电平开关不应与三相整流相混淆，尽管前者对 PFC 颇有益处。当开关处于 “零电平” 状态时，更容易利用其来构建更近似终输出的波形。三电平开关拓扑大大降低了开关功率损耗，因为只有一半的总输出电压作用于某些二极管上。它还能减少电流纹波和电磁干扰，使电流更容易通过更小、更紧凑的电感器进行滤波，或者在可行的情况下，借用变压器固有的电感能力进行滤波。适合三电平开关的器件通常是 650V SiC MOSFET。
调制器：三相整流器第二级的作用是使输出波形平滑。首先，正负极之间的电容在纹波过大时吸收电子，在纹波处于或接近谷值时释放电子。由于三相系统的特性，它不需要大电容。接下来，采用脉冲波调制（PWM）将这种平滑的直流电流塑造成在目标频率下近似正弦波的波形。为了完成调制，六个 IGBT 充当波形反相器的双向开关。对于每种设置，这些开关按且变化的时序导通和关断，从而改变电流路径。电流输出叠加后，整体波形更加平坦。
包含整流器的 PFC 功能块汲取与交流输入电压同相的交流电流，从而在限度提升功率因数（PF）的同时，尽量减少谐波失真。理想情况下，功率因数应保持在 1 或非常接近 1 的水平，且没有任何失真，实际应用中 PF 应保持在 0.97 到 1.0 之间。
综上所述，功率因数校正（PFC）级在电动汽车快速充电系统中起着至关重要的作用，而三相有源整流器的优势和独特的工作原理为实现高效、稳定的充电提供了有力支持。
