800V平台车载充电系统 PFC设计

电 动汽车产业进入规模化快速发展新阶段, 充电基础设施匮乏及充电速 度慢等问题 日益 突出,提升充电功率, 兼容充电设施成为焦点. 文章对800V电压平台三相车载充电系统功率因数校正电路 (PowerFactorCorrection, PFC)进 行设计分析, 旨在 提 升慢 充功率及 兼容性, 并对 充电模 式和放 电模 式进 行仿真分析, 在某车型上制作样机验证, 最终得出一种适合车载单相/三相大功率双向变换PFC电路设计方案, 为后续量产设计提供参考.

引言

800V平台车载充电系统 PFC设计电动汽车车载充电电源电 中，功 率 因数校正电路（PowerFactorCorrection,PFC）是 重要组成部分。现 有 的功率 因数 校正 电路 的外接 电源多为交流民用 电 ，其 功率 受 限制 ，最 大 功率 为 6.6kW。随 着电动汽车产业进人规模化快速发展新 阶段 ，充 电基础设施匮乏 、充 电速度慢等 问题 日益 突出，急 需提升车载充电功率及兼容性。本 文基于某车型800V平台的车载充 电系统 ，以其 交流 AC-DC电路 中的功率校正 因数 电路 作为主要技术要点进行设计分析 ，以求提供一种提升车载充电功率及兼容性的有效方案。

1、车载充电系统 PFC设 计

1.1 车载 充电机模块指标

本文 以某 车型项 目中 的车载 充 电机 的指 标 为依据进行方案论证分析 ，该 车载充 电机 的具 体指标 如表 1所 示。

1.2 技术方案及原理

交流车载充 电机 是 电动车 和 电网进 行 电能 交换的主要装置 。交 流充 电功率变换 系统 原理如图 1所示，主 要 由双 向PFC滤 波器 、双 向AC/DC变 换拓扑 、双向DC/DC变 换拓扑以及控制电路 等模块 串并 联组成。充 电方 向从 电网到 电动 车 ，放 电方 向从 电动 车到电网流动 ，本 文主要对其 中的双 向PFC电路 进行分析。

有桥式 PFC主 要 由4个 开关 管桥臂 和 Boost电路构成 ，其 功率器件数量少 ，结 构及控制简单 ，但 是开关 电流应力和损耗很大 ，畸 变和谐 波含量高 ，无法实现反 向放 电。如 图2所 示。

有桥交错并联PFC在 有桥PFC电路 基础上多一组Boost桥臂 ，可 通过两路开关桥臂 ，实 现交错工作和软启动 ，纹 波低 ，效 率高 ，但 无放 电功能 ，适 合应用在中型功率场合。如 图3所示。

无桥式 PFC由两 组对称 的传 统 Boost电路 组成 ，由于 去掉 了整 流桥 ，减 少了开关应力和损耗 。该 形式电路 效率 较高 ，谐 波较低 ，适 合 中高功率 场合 。如图4所 示。

无桥交错并联 PFC与 无桥 电路 结构类似 ，在 无桥型 的基 础上 ，在 桥臂上 多并 联一个 开关 管和一个升压 电感 ，分 担单路功率需求 ，增 加功率等级 。通过两路 交错工作 ，纹 波电流较少 ，效 率高 ，但 电路复杂 ，器 件数量多。因 此 ，该 拓扑在大功率场合 比较合适。如 图5所示。

结合 以上分 析 ，各 三相双 向PFC电路 拓扑特点对比如表 2所 示。

基于表 2结 果 分 析 ，为 实 现 该 车型 指 标 要 求 ，选定 无 桥交 错并 联 PFC电 路 拓扑 为基 础较 为合 适 。因此 ，如 图 6所 示 ，将 拓 扑 中 的 二 极 管 换 成 MOS，提高每一路 的MOS耐 压耐流能力 ，即可 实现 llkW的三相PFC电路大功率交流充电和反向放 电。

2、PFC电路 兼容性分析

通过上文选 定PFC电路拓扑后 ，考 虑 目前 三相充电设施配置较少 ，单 相充 电设施 占大 多数 ，但 现有三 相 方 案 在 单 相 充 电设 施 中无 法 使 用 ，因此 ，需要 考 虑 一 种 在 提 升 慢 充 功率 的 同时 保 证 随 时单相设 施 能 兼 容 使 用 的方 案 。对 三相 PFC电 路 的分析，该 电路 在缺相时 ，会 出现 相位不平衡 而无法工作。因 此 ，本 文提 出一 种方案 ，通 过相位检测 ，提前识 别 单 相 和 三 相 电 ，增 加 一 路 单 相 PFC桥 臂 组合 ，通 过 MOS的 开关 控制 ，实 现 单 相/三相交 流识别切换 和兼容 。

如图7所 示 ，增 加一组桥式 MOS电路 ，通 过 8开关式的PFC电路 ，L-1至 L-4节点分别接人三相交流的A、B、C、N相 ，通 过 三组 MOS开 关 桥臂 工作 ，将充电功率提升至 llkW。当 接人单相电时 ，前 三组桥臂任意一组通电，和 第 四组 桥臂组成单相 PFC电路，实 现单相 PFC的功能 ，在 单相充 电时满足最大6.6kW充 电功率交流输人。

MOS控制方式采用空间矢量脉宽调制 (SpaceVectorPulseWidth Modulation,SVPWM)方 式 ，通过对 GAH PFC和 SAH PFC驱 动端 口实 现空 间矢量脉宽调制 ，具 有更好母线 电压利用率 ，畸 变和纹 波含量低 ，很 大程度上提升兼容电压范围和充电功率。

3 、PFC电路仿真测试

图8、图 9是 基 于单 相/三相 交 流输 人 充 电模 式下，通 过 MATLAB搭 建电路仿真后的输人输出波形。图中显示 了该 电路方案单相输 出母 线波形和交流线电压对应关 系，可 以看 到，经 过本文 电路 作用 ，实现了平 滑的直 流母线 电压 ，且 搭载方案的零件在整车正常工作，完成测试。仿真结果验证了本文提出的电路方案和控制策略的充 电模式兼容的可行性 。

图10是基于单相/三相交流输人放电模式下 ，通过MATALB软 件搭建 电路 仿真 的输 人输 出波形 ，显示了母 线直 流输 人 与交 流输 出的对 应关 系。可 以看到，放 电方 向也可实现三相和单相的交流平滑输出，波形输 出符合 预期 ，且 搭载方案的零件在整车正常工作 。以 上仿真结果和样件搭载验证 了本 文提 出的双向电路 方案和控制策略的可行性。

4、结束语

本文针对 电动车 中各个 PFC电路 进行分 析 ，总结出了各 方案的优劣势 ，论 证 了一 种可实现单/三相兼容大功率 PFC电路 方案 ，并 对充 电方 向和反 向放电方 向进行 了仿真分析 ，其 结果达到预期 ，满 足了单相民用 电和三相高功率充电的场景应用 。搭 载某车型车载充电机进行测试 ，验 证了其可行性。另 外 ，本文并未对各个参数进行详细的分 析以及 实测数据的分 析和改进 ，还 有待对具体 的电路 进行更进一步的验证分析，帮 助量产方案的落地。

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