三相三電平維也納PFC的器件應力分析

本文今天要講的三相三電平維也納PFC器件應力分析，在大功率充電樁的充電模塊的方案設計中，器件選型及參數控制關係重大，會決定電源模塊工作可靠性及穩定性。

1. PFC 電感應力

從上面的工作狀態，我們可以知道，PFC 電感的前端接輸入，後端電壓在開關不同的狀態分別接PFC 電容三個電位，P，O，N，我們以輸入的三相中點為基準， PFC 母線電壓是波動的，三個狀態的電壓分別為：

其中Vu，Vv，Vw 為三相開關端點相對母線電容中點的電壓，以A 相為例，當Va>0 時，Vu 可以取0，400V，而其餘B，C 相可以取除（400V，400V）以外的任意向量，因B，C 相不可能同時為正，所以此時PFC 電感右端的電壓範圍-266～533V。

同理當Va<0 時Vu 可以取0，-400V，而其餘B，C 相可以取除（-400V，-400V）以外的任意向量，所以此時PFC 電感右端的電壓範圍-533～266V。電感兩端的電壓峰值出現在該相60 度時（大於60 度後其餘兩相為負，GND 到O 的電壓最大值變成了133V，所以從仿真上可以看出峰值電壓的跌落，最大值為：

2. MOSFET 和二極體應力

如下圖1 所示，每相的兩個二極體跨接在正負母線之間，其中點的電平可以為0，-400V，400V， 所以對於二極體，其兩端承受的最大平台電壓為輸出PFC 輸出電壓，800V 母線電壓考慮MOS 開關帶來的電壓尖峰，二極體的最大尖峰電壓會接近1000V，其電流應力可以通過控制方程計算出來。

其實考慮整流二極體不僅要考慮耐壓、通流能力，還有一個很重要的參數是抗浪涌衝擊的能力。在實際調試的過程中，有嘗試選擇用SiC 二極體，但是SiC 二極體的抗浪涌衝擊電流的能力比較弱，所以一般都是採用超快恢復的高壓二極體，比如Microsemi 的ATP30DQ1200B 系列。 我們知道，當模塊在打浪涌的時候，電流都是走低阻抗的路徑，一般前級的壓敏電阻會泄流一部分電流，但是壓敏電阻不會泄放所有的電流，依然會有大量的電流留到後級電流中。對於單相模塊，一般的做法是在PFC電感前面增加一個二極體到PFC母線電容，這樣，浪涌電流就會通過防雷二極體引入到PFC母線電容，保護了功率器件。但是對於三相PFC而言，PFC電容是一個五電平的波動，無法採用這種方法。否則，電路正常工作時就會有電流流過該二極體而導致Vienna無法工作。所以，大電流會通過電感、PFC Diode進入母線電容，這個時候就要求PFC Diode抗浪涌電流的能力比較強。

MOSFET的VDS電壓，由於採用三電平技術，使MOSFET電壓只有三相PFC 800V母線電壓的一半，考慮尖峰，這個電壓會接近600V。對於MOS電壓應力我們最關心的是對頂MOS的中點相對三相輸入的參考地的電位差，如果採用隔離光耦進行驅動，這個電壓決定隔離驅動光耦的選型。

後續我們會從控制模式、控制地的選擇、母線均壓原理、原理仿真、如何實現數字化幾個方面繼續介紹三相維也納 (Vienna) 主拓撲。

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