Vienna Rectifier / 三相 PFC

结构:每相 1 个开关 + 4 个二极管 (共 3 开关 + 12 二极管,简化版 6 个反向二极管)。

工作模式:

• 开关 OFF:电流走二极管自然整流到 Vdc+/Vdc-
• 开关 ON:把相输入"短接到中点" → 改变电流路径 → 实现 3 电平

特点:

• 3 电平输出 (Vdc/2 → 0 → -Vdc/2) → 应力 = Vdc/2 (1200V 模块对应 2400V 电池电压)
• 单向 (整流方向) ——不能 V2G
• THD < 5%
• 效率 ≥97% (SiC 实现 ≥98%)
• 控制相对简单 (3 个 PWM)

主流应用:

• EV OBC 11kW / 22kW (单向充电) — Tesla / 大众 ID 系列 / 比亚迪部分车型
• 大功率服务器电源 (3 相输入)

Kolar 教授原创:Vienna 1993 年由奥地利 TU Wien 教授 Johann Kolar 发明,故得名。

结构:3 个半桥 (共 6 MOSFET) + 直流母线 + 三相电感。

工作:

• 整流模式:像电压源逆变器倒过来用
• 逆变模式 (V2G):同一拓扑反向 → 把直流送回电网

特点:

• 双向 (V2G 能力)
• 2 电平输出 (Vdc 和 0) → 应力 = Vdc (800V 电池要 1200V SiC)
• THD < 3% (空间矢量 SVPWM)
• 效率 ≥96%
• 控制复杂 (SVPWM / DQ 解耦)

主流应用:

• EV V2G 双向 OBC
• 储能 PCS (Power Conversion System)
• 风电 / 太阳能并网逆变 (双向)

结构:每相 4 开关 + 2 钳位二极管,共 12 开关 + 6 钳位二极管。

特点:

• 3 电平输出 → 谐波极小,THD < 1%
• 应力 = Vdc/2,容易做 1000V+ 母线
• 效率 ≥97%
• 控制最复杂 (空间矢量 + 中点电压平衡)
• 元件最多,成本最高

主流应用:

• 大功率储能逆变 (100kW-MW 级)
• 大型光伏逆变器
• 风电变流器

结构:3 半波整流桥,无 PFC 控制。

特点:

• THD > 40% → 严重谐波污染
• 效率 99% (无开关损耗)
• 违反 IEC 61000-3-12 → 车规严禁

现状:禁用 —— 仅历史参考。

每相单独看,Vienna 每相输入电压 $Vph$ vs. Vdc/2 关系决定状态:

主流控制:

• DQ 坐标变换 (Park Transform):3 相 → d/q 旋转坐标 → 与单相 PFC 相同的控制
• 电流环:控制每相电流跟踪正弦参考 (同相位 + 同幅度)
• 电压环:控制 Vdc 稳定 (典型 750-800V)
• 中点电压平衡:Vdc+ 和 Vdc- 必须均衡 (差 < 5%)

典型 11kW Vienna OBC:

• 输入:380V AC 3-phase,16A
• 输出:Vdc = 750V
• 开关频率 $fsw$ = 35-70 kHz
• 电感 $L$ = 200-500 μH (每相)
• 开关:Infineon IMW120R045M1H (1200V SiC, 45mΩ)
• 二极管:CREE C6D08065 (650V SiC SBD)
• THD < 5%
• 效率 ≥97%

Vienna 元件应力自然减半 — 开关 / 二极管都只承受 Vdc/2 而非 Vdc,这是相对 6-Switch 的核心优势:

关键认知:Vienna 应力 Vdc/2 → 可以用 650V/750V SiC,不用 1200V——这就是它在 800V 平台前流行的核心原因。

6-Switch = 逆变器拓扑反过来用:

• 整流方向:电网 → 直流母线
• 逆变方向 (V2G):直流母线 → 电网

与 Vienna 区别:

• 不需要中点钳位 → 拓扑简单
• 但 每管 Vds = Vdc 全压 → 800V 母线要 1200V MOSFET
• 双向能力 → V2G

Space Vector PWM (topic-svpwm-modulation) 是 6-Switch PFC 主流调制:

• 把三相电压在 αβ 平面表示为旋转矢量
• 选择 6 个有效矢量 + 2 个零矢量合成参考
• 比 SPWM 直流利用率高 15.5%
• THD 优秀

V2G 模式下需要:

• 电网电压同步 (PLL 锁相)
• 反向功率方向控制 (改 d 轴电流方向)
• 孤岛保护 (检测电网失电 + 立即停)

三相之间电流不平衡 → 中点电压偏移 → 一相 MOSFET 过载。

修法:

• 提高电流采样精度 (CT vs Shunt)
• 加中点电压平衡控制
• 三相 PCB 走线对称

THD > 5% → IEC 不过。

修法:

• 提高 $fsw$
• 加输入滤波器
• 优化控制环路带宽

NPC 三电平 → Vdc+ 与 Vdc- 不平衡 → 中点漂移 → 一侧 MOSFET 过压。

修法:

• 引入中点电压控制环 (额外的 PI 控制)
• SVPWM 选择对称矢量