充电桩模块电路

最近这几年充电模块是热门，从最开始的7.5kW、10kW 到后面的15kW、20kW，功率等级不断的提高。市场上的充电模块绝大部分都是三相输入，PFC 部分也基本都是采用的三相无中线VIENNA 结构的拓扑。借这次技术分享的机会，分享一下个人对「三相VIENNA 拓扑」的理解，希望和大家一起探讨交流。

我会从以下几个方面进行说明：

①主电路组成

②工作原理

③控制模式

④控制地的选择

⑤母线均压原理

⑥原理仿真

一、主电路的组成

如图所示，是三相VIENNA PFC 拓扑的主电路，大致如下：

1. 三相二极管整流桥，使用超快恢复二极管或SiC 二极管；

2. 每相一个双向开关，每个双向开关由两个MOS 管组成，利用了其固有的反并联体二极管，共用驱动信号，降低了控制和驱动的难度。相比其他组合方案，具有效率高、器件数量少的优点；

3. 电流流过的半导体数量最少，以a 相为例：

▪双向开关Sa 导通时，电流流过2个半导体器件，euo=0，桥臂中点被嵌位到PFC 母线电容中点；

▪双向开关关断时，电流流过1个二极管，iu>0 时euo=400V，iu<0 时euo=-400V，桥臂中点被嵌位到PFC 正母线或负母线。

二、工作原理

电路的工作方式靠控制Sa、Sb、Sc 的通断，来控制PFC 电感的充放电，由于PFC 的PF 值很接近1，在分析其工作原理时可以认为电感电流和输入电压同相，三相点平衡，并且各相差120度；

1. 主电路的等效电路

①三相三电平Boost 整流器可以被认为是三个单相倍压Boost 整流器的Y 型并联；

②三个高频Boost 电感，采用CCM 模式，减少开关电流应力和EMI 噪声；

③两个电解电容构成电容中点，提供了三电平运行的条件；

这个eun 的表达式非常重要。

2. 主电路的开关状态

三相交流电压波形如下，U、V、W 各相差120度

三相交流电压波形

通过主电路可以看出，当每相的开关Sa、Sb、Sc 导通时，U、V、W 连接到电容的中点O，电感La、Lb、Lc 通过Sa、Sb、Sc 充电，每相的开关关断时，U、V、W 连接到电容的正电平（电流为正时）后者负电平（电流为负时），电感通过D1-D6 放电，以0~30度

为例，ia、ic 大于零，ib 小于零。

每个桥臂中点有三种状态，三个桥臂就是3^3=27种状态，但不能同时为PPP 和NNN 状态，故共有25种开关状态（见下期下载链接）。

3. 主电路的发波方式

主电路的工作状态与发波方案有较大的关系，采用不同的发波方案会在每个周期产生不同的工作状态。

一般Vienna 拓扑采用DSP 数字控制，控制灵活，可移植性强。

①采用单路锯齿波载波调制电流环控制器输出的调制信号被馈送给锯齿波载波，保持恒定的开关频率；

在0~30度这个扇区内，每个周期产生4个开关状态，由于波形不对称，电流波形的开关纹波的谐波比较大；采用该种方式进行调试，桥臂中点线电压的最大步进是2Ed（Ed 为母线电压的一半，400V）；

②采用相位相差180度的高频三角载波，当对应的输入电压是正半周的时候，采用Trg1，当对应的输入电压是负半周的时候采用Trg2，每个周期产生8个开关状态，与传统的控制方案产生4个开关状态相比，8个开关状态相当于频率翻倍，减小了输入电流的纹波，对THD 指标有好处；

上一张仿真的波形：

上面我们提到，三相三电平PFC 可以看作是三个单相的PFC，每个单相相当于由两个Boost 电路组成，在交流电压的正负半周交替工作，正半周如下所示：

以a 相为例，驱动信号为高时，则开关管Q1 导通(交流电压的正半周) 或者Q2 导通(交流电压的负半周)；驱动信号为低时，开关管Q1 和Q2 都关断。电压正半周时，a 相上桥臂二极管导通；电压负半周时，a 相下桥臂二极管导通。

通过上面的分析，采用移相180度的三角载波进行调制，在0~30度的扇区内有8种开关状态，4种工作模式ONO,ONP,OOP,POP。

①ONO 工作模式

a 相和c 相导通，

b 相截至，U 和W 电压为0，V 点电压-400V；该工作状态只给C2 进行充电；