隨著汽車(chē)市場(chǎng)電氣化時(shí)代的到來(lái)，對(duì)電池充電器的需求越來(lái)越大。通過(guò)簡(jiǎn)單的公式可以知道，功率越大，充電時(shí)間就越短。本文考慮的是三相電源，其所能提供的功率最高為單相電源的3 倍。

這里提及的三相 PFC 板是基于碳化硅 MOSFET 的車(chē)載充電器系統(tǒng)第一級(jí)的示例，它會(huì)提高系統(tǒng)效率并減少 BOM 內(nèi)容。開(kāi)發(fā) PFC 板的主要目的是方便訪問(wèn)不同設(shè)備，從而為測(cè)試階段和測(cè)量提供便利;外形尺寸優(yōu)化從來(lái)不是 EVB 的目標(biāo)。三相維也納PFC，作為一種三電平PWM整流器拓?fù)?，旨在?yōu)化電源系統(tǒng)的效能和功率因數(shù)。其設(shè)計(jì)巧妙，減少了所需的開(kāi)關(guān)器件數(shù)量，使得單個(gè)功率器件所承受的最大電壓僅為輸出母線電壓的一半。此外，該拓?fù)錈o(wú)需設(shè)置驅(qū)動(dòng)死區(qū)時(shí)間，從而避免了橋臂直通的問(wèn)題，進(jìn)一步拓寬了其應(yīng)用范圍。維也納PFC整流器的主要構(gòu)成包括6個(gè)絕緣柵型晶體管(IGBT)和12個(gè)快恢復(fù)二極管(FRD)。在這些器件中，所有IGBT和FRD均以硬開(kāi)關(guān)方式工作，其開(kāi)關(guān)損耗可通過(guò)開(kāi)通能量Eon和關(guān)斷能量Eoff來(lái)計(jì)算。同時(shí)，我們也需要考慮器件的導(dǎo)通損耗，這可以通過(guò)計(jì)算導(dǎo)通電流與器件飽和(通態(tài))電壓來(lái)得出。

?PFC(功率因數(shù)校正)電路的開(kāi)關(guān)頻率?是指PFC電路中開(kāi)關(guān)元件(如MOSFET或IGBT)的開(kāi)關(guān)動(dòng)作頻率。開(kāi)關(guān)頻率的選擇對(duì)PFC電路的性能和效率有重要影響。開(kāi)關(guān)頻率對(duì)PFC電路性能的影響，效率?：較高的開(kāi)關(guān)頻率可以減小電感體積，但會(huì)增加開(kāi)關(guān)損耗，從而影響整體效率。通常，開(kāi)關(guān)頻率在幾十kHz到幾百kHz之間較為常見(jiàn)?1。?電磁干擾(EMI)?：開(kāi)關(guān)頻率越高，產(chǎn)生的電磁干擾也越大。因此，需要在設(shè)計(jì)和應(yīng)用中采取適當(dāng)?shù)臑V波措施來(lái)減少EMI?2。成本和可靠性?：高頻開(kāi)關(guān)會(huì)增加開(kāi)關(guān)器件的應(yīng)力，可能導(dǎo)致更高的溫度和更快的器件老化，從而影響系統(tǒng)的可靠性和壽命?。

在實(shí)際應(yīng)用中，PFC電路的開(kāi)關(guān)頻率通常在幾十kHz到幾百kHz之間。例如，某些PFC控制芯片支持最高540KHz的開(kāi)關(guān)頻率，可以搭配氮化鎵開(kāi)關(guān)管和碳化硅二極管，通過(guò)高頻率減小電感體積，實(shí)現(xiàn)高頻率小體積的升壓PFC電路?1。此外，多模式PFC控制中，開(kāi)關(guān)頻率的限制也是一個(gè)重要考慮因素，通常限制在40K~100KHz之間，以避免過(guò)低或過(guò)高的頻率帶來(lái)的問(wèn)題?3。

硅基功率器件(如IGBT)的性能已逼近物理極限，而碳化硅作為第三代半導(dǎo)體材料，具有禁帶寬度大(3.3eV)、擊穿場(chǎng)強(qiáng)高(10倍于硅)、熱導(dǎo)率高等特性，可顯著提升電力電子系統(tǒng)的效率、功率密度和可靠性。功率器件是電力電子系統(tǒng)的“心臟”，但高端市場(chǎng)長(zhǎng)期被歐美日企業(yè)壟斷。碳化硅技術(shù)被全球視為下一代功率器件的制高點(diǎn)，中國(guó)若不能突破，將在新能源汽車(chē)、智能電網(wǎng)、航天等戰(zhàn)略領(lǐng)域受制于人。國(guó)產(chǎn)碳化硅器件比如BASiC基本股份(BASiC Semiconductor)的成功研發(fā)標(biāo)志著中國(guó)在關(guān)鍵技術(shù)上實(shí)現(xiàn)“從0到1”的突破，為自主供應(yīng)鏈奠定了基礎(chǔ)。

中國(guó)“十四五”規(guī)劃將第三代半導(dǎo)體列為重點(diǎn)發(fā)展方向，疊加新能源汽車(chē)、光伏、軌道交通等領(lǐng)域?qū)Ω咝芷骷男枨蠹ぴ?，碳化硅的市?chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)未來(lái)五年將保持30%以上的年增速。國(guó)產(chǎn)廠商比如BASiC基本股份(BASiC Semiconductor)在這一窗口期搶占技術(shù)高地，將重塑全球產(chǎn)業(yè)鏈格局。國(guó)產(chǎn)碳化硅器件比如BASiC基本股份(BASiC Semiconductor)的突破(如抗輻射、高壓特性)減少了進(jìn)口依賴，自主可控的供應(yīng)鏈可避免“卡脖子”風(fēng)險(xiǎn).

碳化硅的高頻特性支持更高效的電能轉(zhuǎn)換，例如新能源汽車(chē)的電機(jī)控制器采用碳化硅模塊比如BASiC基本股份(BASiC Semiconductor)后，續(xù)航可提升5%-10%，充電速度提高3倍。這一技術(shù)將加速傳統(tǒng)硅基器件的替代，推動(dòng)電力電子系統(tǒng)向小型化、高集成度方向演進(jìn)。

中國(guó)碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈已形成從材料(襯底、外延)到器件(MOSFET、SBD)的初步布局。盡管?chē)?guó)際巨頭仍占據(jù)主導(dǎo)，但國(guó)產(chǎn)IDM廠商(如BASiC基本股份 BASiC Semiconductor)通過(guò)技術(shù)迭代和成本優(yōu)化，部分產(chǎn)品(如BASiC基本股份碳化硅MOSFET模塊)已與進(jìn)口IGBT模塊價(jià)格持平，加速了國(guó)產(chǎn)替代進(jìn)程。

不論是恒定導(dǎo)通時(shí)間COT控制，還是恒定關(guān)閉時(shí)間控制，在整個(gè)正弦波周期上都是在一直變化，如何才能對(duì)開(kāi)關(guān)頻率進(jìn)行限制呢，不讓它跑到更低或更低的開(kāi)關(guān)頻率范圍是要在實(shí)際應(yīng)用上非常值得注意的問(wèn)題。

真正應(yīng)用到實(shí)際上，還是需要對(duì)開(kāi)關(guān)頻率進(jìn)行限制，比如卡在40K~100KHZ之間，如果開(kāi)關(guān)頻率按正弦波變化到更寬的數(shù)字上，會(huì)帶來(lái)很多很多問(wèn)題。在多模式的控制中也需要這些考慮，我在最開(kāi)始的版本上在低壓重負(fù)載情況的CCM工況開(kāi)關(guān)頻率最高能到200KHZ，這樣使得我?guī)缀鯖](méi)有辦法繼續(xù)往實(shí)際應(yīng)用上走了，所以迫切的需要解決在多模式PFC控制上對(duì)開(kāi)關(guān)頻率的限制。被動(dòng)式PFC技術(shù)，主要包括“電感補(bǔ)償式”和“填谷電路式”。前者通過(guò)減小交流輸入基波電流與電壓之間的相位差來(lái)提升功率因數(shù)，但其功率因數(shù)上限為0.7～0.8。而后者，作為一種新型無(wú)源功率因數(shù)校正電路，能顯著降低總諧波失真，將功率因數(shù)提升至0.9左右。其優(yōu)點(diǎn)在于電路簡(jiǎn)單、補(bǔ)償效果顯著，且無(wú)需使用大型電感器。主動(dòng)式PFC技術(shù)則依托電感電容及電子元器件，通過(guò)專(zhuān)用IC調(diào)整電流波形，實(shí)現(xiàn)對(duì)電流電壓相位差的補(bǔ)償。其功率因數(shù)通?？蛇_(dá)98%以上，但成本相對(duì)較高。此外，主動(dòng)式PFC還可作為輔助電源，簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，減小濾波電容需求。

在單片機(jī)電路中，我們常常遇到幾種不同類(lèi)型的電路。這些電路不僅影響著電力利用效率，還與功率因數(shù)校正技術(shù)的實(shí)施密切相關(guān)。常見(jiàn)的電路類(lèi)型包括被動(dòng)式PFC電路和主動(dòng)式PFC電路。被動(dòng)式PFC電路又可分為“電感補(bǔ)償式”和“填谷電路式”，前者側(cè)重于減小電流與電壓之間的相位差，后者則能顯著降低總諧波失真并提升功率因數(shù)。主動(dòng)式PFC電路則更注重電流波形的調(diào)整，通過(guò)專(zhuān)用IC實(shí)現(xiàn)對(duì)電流電壓相位差的精確補(bǔ)償，其功率因數(shù)通常高達(dá)98%以上。

在PFC開(kāi)關(guān)電源中，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源扮演著至關(guān)重要的角色。盡管PFC中的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源與普通開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源在功能上相似，但它們的供電方式有所不同。普通開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源依賴220V整流供電，而PFC穩(wěn)壓開(kāi)關(guān)電源則由B+PFC供電。在整流過(guò)程中，不加入濾波電容器，直接將未經(jīng)濾波的脈動(dòng)正半周電壓作為斬波器的供電源。斬波器通過(guò)一系列的“開(kāi)關(guān)”操作，將脈動(dòng)的正電壓“斬”成特定的電流波形，其特點(diǎn)在于：

1、斬波器輸出的電流波形是斷續(xù)的，其包絡(luò)線與電壓波形保持一致，且二者相位相同。

2、經(jīng)過(guò)斬波器的處理，半波脈動(dòng)的直流電被轉(zhuǎn)換為高頻(約100KHz，由斬波頻率決定)的“交流”電。此高頻“交流”電需再次經(jīng)過(guò)整流后，才能供后級(jí)的PWM開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源使用。

3、從整體供電角度看，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了交流電壓與交流電流同相位，同時(shí)確保了電壓波形和電流波形均呈現(xiàn)正弦形態(tài)。這不僅優(yōu)化了功率因素補(bǔ)償，還有效地解決了電磁兼容(EMC)和電磁干擾(EMI)的問(wèn)題。

該高頻“交流”電經(jīng)過(guò)整流二極管整流并濾波后，轉(zhuǎn)換為直流電壓(通常稱(chēng)為B+PFC，如TPW-4211所示)，該直流電壓一般高于原220V交流整流濾波后的+300V。這是由于采用高電壓設(shè)計(jì)，配合小線徑電感、低線路壓降、小濾波電容容量和大濾波效果，從而降低了后級(jí)PWM開(kāi)關(guān)管的要求。

目前，PFC開(kāi)關(guān)電源中的斬波管(K)有兩種工作模式：

1、連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)：在此模式下，開(kāi)關(guān)管的工作頻率保持恒定，而其導(dǎo)通占空比會(huì)依據(jù)被斬波電壓的幅度進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

2、不連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)：此模式下，斬波開(kāi)關(guān)管的工作頻率會(huì)隨著被斬波電壓的大小而變化，確保每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)“開(kāi)”與“關(guān)”的時(shí)間相等。

值得注意的是，功率因素校正開(kāi)關(guān)電源中的PFC開(kāi)關(guān)電源部分與PWM開(kāi)關(guān)電源部分的激勵(lì)控制，都可以通過(guò)一塊集成電路來(lái)實(shí)現(xiàn)高效設(shè)計(jì)。

目前，傳統(tǒng)反激架構(gòu)已不能滿足高功率適配器的高開(kāi)關(guān)頻率、高功率密度、高效率要求。因此，更適合更大功率輸出的LLC架構(gòu)開(kāi)始引入百瓦大功率電源適配器中，有效提高轉(zhuǎn)換效率、減小體積、便于攜帶、提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。

另外，由于開(kāi)關(guān)電源中整流后采用大容量的濾波電容，呈現(xiàn)容性負(fù)載，在電容充放電時(shí)會(huì)使電網(wǎng)中產(chǎn)生大量高次諧波，產(chǎn)生污染和干擾，工程師開(kāi)始在開(kāi)關(guān)電源中引入PFC電路，功率在75-85W以上的開(kāi)關(guān)電源強(qiáng)制要求加入PFC電路以提高功率因數(shù)，修正負(fù)載特性。

而MPS為應(yīng)對(duì)現(xiàn)今適配器的高效化，小型化趨勢(shì)，順勢(shì)推出多款PFC+LLC combo控制器，助力廠商有效提高產(chǎn)品集成度。接下來(lái)充電頭網(wǎng)盤(pán)點(diǎn)下MPS推出的多款LLC+PFC combo控制器芯片。

半橋 LLC 諧振變換器采用零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)實(shí)現(xiàn)高效率。HR1203 具有自適應(yīng)死區(qū)時(shí)間調(diào)節(jié)(ADTA)功能，在不同負(fù)載條件下都能確保 ZVS。此外，HR1203 可以防止 LLC 變換器在容性模式下運(yùn)行，使其更可靠，更易于設(shè)計(jì)。HR1203 內(nèi)部集成高壓(HV)電流源，可啟動(dòng)上電。將 AC 輸入移除后，高壓電流源也可作為 X 電容放電器使用。這也有助于減少相關(guān)設(shè)備的數(shù)量，從而在無(wú)負(fù)載時(shí)降低功耗。為了提高抗擾度，HR1203 采用多個(gè)可編程的數(shù)字濾波器對(duì)關(guān)鍵信號(hào)濾波。全方位保護(hù)功能包括過(guò)溫關(guān)斷保護(hù)、開(kāi)路保護(hù)(OLP)、過(guò)流保護(hù)(OCP)、過(guò)壓保護(hù)(OVP)和欠壓保護(hù)/開(kāi)啟。