AC-DC拓撲分為無源、混合和有源 PFC 整流器系統。隨著半導體技術最近取得的進步，有源 PFC 廣泛用于電動汽車充電站。電動汽車充電站中使用單相和三相拓撲，具體取決于功率級別。單相拓撲通常用于低于 3.3kW 的功率級別，而三相拓撲則用于更高的功率級別。本文簡要介紹了單相 PFC 拓撲，即圖騰柱、交錯圖騰柱和中性點鉗位拓撲，然后主要介紹三相 PFC 拓撲，即兩級 PFC、Vienna PFC、中性點鉗位 (NPC) 3 級 PFC 和 T 型 NPC PFC。

1、圖騰柱 PFC 拓撲

這是一種傳統的升壓 PFC，其中二極管電橋的一半被半橋配置中的有源開關 S1 和 S2 所取代，因此稱為“圖騰柱”。二極管 S3 和 S4 形成 50Hz 至 60Hz 的慢速線路頻率橋臂，可以是慢速交流整流器二極管，也可以替換為低 RDS(on) 同步 MOSFET 以提高效率。

圖騰柱 PFC圖騰柱 PFC 具有提高效率的優勢。主電流一次僅流經兩個開關。S1 和 S2 與互補 PWM 信號同步驅動，慢速線路頻率橋臂上的 S3/S4 可以是二極管或低 Rds(on) Si MOSFET，以便進一步降低傳導損耗。其次，由于器件數量較少，因此可提供更高的功率密度和更低的 BOM 成本。最后，圖騰柱 PFC 本身就可以雙向運行，非常適合 V2G 應用和車載雙向電池充電器。唯一的缺點是，對于硅 MOSFET，圖騰柱排列允許僅在斷續導通模式 (DCM) 或臨界導通模式 (CrM) 下運行，因為如果允許連續導通模式 (CCM)，MOSFET 體二極管的反向恢復會導致過多的損耗。硅 MOSFET 中體二極管的反向恢復時間遠多于標準快速恢復二極管的反向恢復時間。因此，反向恢復損耗將非常高，效率將很低。盡管圖騰柱無橋升壓 PFC 在與硅 MOSFET 配合使用時受到限制，但具有零恢復反向導通功能的碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 開關器件出現后，因此即使在 CCM 運行時也是優選。該圖騰柱 PFC 可通過交錯功率級擴展為更高功率

2 、單相中性點鉗位 PFC

與傳統的兩電平轉換器相比，這種拓撲結構具有多項優勢。第一款多電平轉換器不僅可以生成失真極低的輸出電壓，還可以在電源開關上產生較低電壓的情況下降低 dv/dt 應力；因此，可以減少電磁兼容性 (EMC) 問題。其次，多級轉換器可以以低失真消耗輸入電流，因此它們具有更好的總諧波失真性能，并且需要體積更小的輸入電感器。此拓撲的多級特性可利用更具成本效益的 MOSFET，從而進一步降低設計成本。當需要非常高的效率和功率密度時，GaN/SiC 可用于此拓撲。最后，有源開關可實現轉換器的雙向運行。一個特殊的缺點是所需功率半導體開關數量更大。盡管多級轉換器中可以使用額定電壓較低的開關，但每個開關都需要一個隔離式柵極驅動電路，這種電路成本高昂且難以設計。

3 、三相兩級 PFC

六開關升壓型整流器具有非常簡單的電路拓撲和易于控制的特性。它有助于實現雙向功率流，并可實現具有合理效率的高功率因數。

由于此拓撲是一種兩級拓撲，因此需要高電壓阻斷開關來阻斷整個直流鏈路電壓。例如，在 800V 直流鏈路電壓應用中，功率級需要 1200V 額定阻斷容量的碳化硅 (SiC)。此拓撲的缺點之一是濾波電感器體積龐大，它需要將輸入電流 THD 調節到較低的值。因此，與節 3.4、節 3.5 和節 3.6 中記錄的其他競爭三級拓撲相比，功率密度較低。此外，器件上的峰值電壓應力非常高，這會影響功率級中使用的半導體和其他無源器件的長期可靠性。最后，與其他熱門的多級 PFC 拓撲相比，轉換器的電磁干擾 (EMI) 性能要低得多。

4、 三相 Vienna PFC

圖 3-5 所示的 Vienna 整流器電源拓撲用于高功率三相功率因數校正應用中。雖然用于有源三相功率因數轉換的拓撲非常之多，但 Vienna 整流器仍然頗受青睞，因為它以連續導通模式 (CCM) 運行，具有固有的多級開關（三級），并且可以降低功率器件上的電壓應力。基于遲滯的控制器和基于正弦三角的控制器都用于 Vienna 整流器，因此控制起來相對簡單，因為此拓撲所需的 PWM 較少。此拓撲的缺點之一是它僅支持從電網到直流側的單向模式功率傳輸。Vienna 整流器的特征是總體體積相對較小或功率密度較高，因為與節 3.3 中所討論的兩級整流器相比，它只需要升壓電感器電感的大約一半。輸出電壓的多級特征還可提供更好的 THD 性能。與兩級 PFC 不同，Vienna 整流器具有三級特性，因此可通過 Si MOSFET 或 600V 至 650V IGBT 和 SiC 肖特基二極管在更高的開關頻率下實現高效率，并且無需使用高級 1200V SiC 功率 FET 來降低開關損耗。

5 、三相 ANPC/NPC 三級 PFC

圖 3-6 所示為中性點鉗位 轉換器的基本拓撲。這與之前看到的單相 NPC 多級拓撲類似，該拓撲已擴展到三個相位，在這三個相位中，該拓撲的所有開關只需阻斷一半的總線電壓即可。因此，在目前討論的所有拓撲中，器件上的電壓應力最低。因此，可以根據功率級別、成本和目標效率，在多個平臺之間輕松擴展此拓撲，以便使用 SiC、GaN 和 Si MOSFET 實現。 

由于只需切換一半的電壓，這也將 MOSFET 中的開關損耗減少了一半，因此可以使用 600V 元件而不是 1200V 類型。除此之外，在 600V 技術中，元件的可用速度比 1200V 快得多。這可進一步降低開關損耗。中性點鉗位 拓撲將具有較低的輸出電流紋波和一半的輸出電壓瞬態。這將減少濾波電感器中的濾波和隔離工作。因此，我們可以實現高功率密度，同時降低調節電流波形 THD 所需的電感。多級轉換器不僅會產生干擾非常小的輸出電壓，還可以更大限度地減小器件上的 dv/dt 應力，從而減少電磁干擾 (EMI) 問題。此外，由于開關損耗更小且效率更高，此拓撲還提供雙向功率傳輸，是高于 50kHz 開關頻率的首選。一個特殊的缺點是需要大量的功率半導體開關。盡管額定電壓較低的開關可用于多級轉換器，但每個開關都需要一個連接的柵極驅動電路，而且隨著器件數量的增加，控制也變得非常復雜。由于此拓撲同時使用有源半導體開關和二極管，因此它們在功率級和熱管理中的不對稱損耗分布可能非常具有挑戰性。在許多情況下，為了實現更對稱的損耗分布，NPC 拓撲的二極管被有源開關所取代。這將產生有源中性點鉗位 (ANPC) 轉換器拓撲，如圖 3-7 所示。此外，由于所有開關上的阻斷電壓降低，因此氮化鎵 (GaN) 可用于此拓撲中的高頻開關，從而提高轉換器的效率和功率密度。

6、 三相 TNPC 三級 PFC

圖 3-8 所示為 3L T 型轉換器的基本拓撲。傳統的兩級電壓源轉換器 (VSC) 拓撲通過有源雙向開關擴展到直流鏈路中點。對于 800V 直流鏈路電壓，每個相位上的高側和低側通常使用 1200V IGBT/二極管來實現，因為必須阻斷全電壓。不同的是，直流鏈路中點的雙向開關只能阻斷一半的電壓。它可以通過具有較低額定電壓的器件來實現，例如兩個包含反向并聯二極管的 600V IGBT。由于阻斷電壓降低，中間開關的開關損耗超低，而且傳導損耗可接受。與之前討論的三級 NPC 拓撲不同，沒有器件串聯連接必須阻斷整個直流鏈路電壓。對于 NPC 拓撲，通常省略從正 (P) 電平直接轉換到負 (N) 直流鏈路電壓電平，反之亦然，因為當兩個串聯的 FET 同時關斷時，瞬態情況下可能會阻止不均勻的電壓份額。這種不良影響在 T 型拓撲中不會發生。沒有必要實現可防止此類轉換的低級例程，也沒有必要確保串聯 IGBT 之間的瞬態電壓平衡。使用單個 1200V 器件阻斷完整直流鏈路電壓的另一個額外好處是減少了導通損耗。每當輸出連接到 (P) 或 (N) 時，僅出現一個器件的正向壓降，這與兩個器件始終串聯的 NPC 拓撲相反。導通損耗顯著降低，因此即使在低開關頻率下，T 型也是一個有趣的選擇。總體而言，與 NPC 相比，導通損耗要低得多，但由于器件阻止了完整的直流鏈路電壓，因此開關損耗很高。與 NPC 拓撲相比，元件數量有限，并且與 Vienna 整流器和兩級 PFC 相比，效率、功率密度和雙向運行能力更好，因此 T 型整流器非常適合頻率高達 50kHz（超過此頻率時，NPC 性能更好）的應用。此拓撲的缺點之一是高電壓阻斷 FET 上的高峰值電壓應力較高。最后，與其他拓撲類似，它也具有良好的 THD 性能，因此在輸

入端不需要笨重的電感器。

7、 AC-DC拓撲總結

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