三相三电平维也纳PFC的器件应力分析

本文今天要讲的三相三电平维也纳PFC器件应力分析，在大功率充电桩的充电模块的方案设计中，器件选型及参数控制关系重大，会决定电源模块工作可靠性及稳定性。

1. PFC 电感应力

从上面的工作状态，我们可以知道，PFC 电感的前端接输入，后端电压在开关不同的状态分别接PFC 电容三个电位，P，O，N，我们以输入的三相中点为基准， PFC 母线电压是波动的，三个状态的电压分别为：

其中Vu，Vv，Vw 为三相开关端点相对母线电容中点的电压，以A 相为例，当Va>0 时，Vu 可以取0，400V，而其余B，C 相可以取除（400V，400V）以外的任意向量，因B，C 相不可能同时为正，所以此时PFC 电感右端的电压范围-266～533V。

同理当Va<0 时Vu 可以取0，-400V，而其余B，C 相可以取除（-400V，-400V）以外的任意向量，所以此时PFC 电感右端的电压范围-533～266V。电感两端的电压峰值出现在该相60 度时（大于60 度后其余两相为负，GND 到O 的电压最大值变成了133V，所以从仿真上可以看出峰值电压的跌落，最大值为：

2. MOSFET 和二极管应力

如下图1 所示，每相的两个二极管跨接在正负母线之间，其中点的电平可以为0，-400V，400V， 所以对于二极管，其两端承受的最大平台电压为输出PFC 输出电压，800V 母线电压考虑MOS 开关带来的电压尖峰，二极管的最大尖峰电压会接近1000V，其电流应力可以通过控制方程计算出来。

其实考虑整流二极管不仅要考虑耐压、通流能力，还有一个很重要的参数是抗浪涌冲击的能力。在实际调试的过程中，有尝试选择用SiC 二极管，但是SiC 二极管的抗浪涌冲击电流的能力比较弱，所以一般都是采用超快恢复的高压二极管，比如Microsemi 的ATP30DQ1200B 系列。 我们知道，当模块在打浪涌的时候，电流都是走低阻抗的路径，一般前级的压敏电阻会泄流一部分电流，但是压敏电阻不会泄放所有的电流，依然会有大量的电流留到后级电流中。对于单相模块，一般的做法是在PFC电感前面增加一个二极管到PFC母线电容，这样，浪涌电流就会通过防雷二极管引入到PFC母线电容，保护了功率器件。但是对于三相PFC而言，PFC电容是一个五电平的波动，无法采用这种方法。否则，电路正常工作时就会有电流流过该二极管而导致Vienna无法工作。所以，大电流会通过电感、PFC Diode进入母线电容，这个时候就要求PFC Diode抗浪涌电流的能力比较强。

MOSFET的VDS电压，由于采用三电平技术，使MOSFET电压只有三相PFC 800V母线电压的一半，考虑尖峰，这个电压会接近600V。对于MOS电压应力我们最关心的是对顶MOS的中点相对三相输入的参考地的电位差，如果采用隔离光耦进行驱动，这个电压决定隔离驱动光耦的选型。

后续我们会从控制模式、控制地的选择、母线均压原理、原理仿真、如何实现数字化几个方面继续介绍三相维也纳 (Vienna) 主拓扑。

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