AC-DC拓扑分为无源、混合和有源 PFC 整流器系统。随着半导体技术最近取得的进步，有源 PFC 广泛用于电动汽车充电站。电动汽车充电站中使用单相和三相拓扑，具体取决于功率级别。单相拓扑通常用于低于 3.3kW 的功率级别，而三相拓扑则用于更高的功率级别。本文简要介绍了单相 PFC 拓扑，即图腾柱、交错图腾柱和中性点钳位拓扑，然后主要介绍三相 PFC 拓扑，即两级 PFC、Vienna PFC、中性点钳位 (NPC) 3 级 PFC 和 T 型 NPC PFC。
1、图腾柱 PFC 拓扑
这是一种传统的升压 PFC，其中二极管电桥的一半被半桥配置中的有源开关 S1 和 S2 所取代，因此称为“图腾柱”。二极管 S3 和 S4 形成 50Hz 至 60Hz 的慢速线路频率桥臂，可以是慢速交流整流器二极管，也可以替换为低 RDS(on) 同步 MOSFET 以提高效率。
图腾柱 PFC图腾柱 PFC 具有提高效率的优势。主电流一次仅流经两个开关。S1 和 S2 与互补 PWM 信号同步驱动，慢速线路频率桥臂上的 S3/S4 可以是二极管或低 Rds(on) Si MOSFET，以便进一步降低传导损耗。其次，由于器件数量较少，因此可提供更高的功率密度和更低的 BOM 成本。最后，图腾柱 PFC 本身就可以双向运行，非常适合 V2G 应用和车载双向电池充电器。唯一的缺点是，对于硅 MOSFET，图腾柱排列允许仅在断续导通模式 (DCM) 或临界导通模式 (CrM) 下运行，因为如果允许连续导通模式 (CCM)，MOSFET 体二极管的反向恢复会导致过多的损耗。硅 MOSFET 中体二极管的反向恢复时间远多于标准快速恢复二极管的反向恢复时间。因此，反向恢复损耗将非常高，效率将很低。尽管图腾柱无桥升压 PFC 在与硅 MOSFET 配合使用时受到限制，但具有零恢复反向导通功能的碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 开关器件出现后，因此即使在 CCM 运行时也是优选。该图腾柱 PFC 可通过交错功率级扩展为更高功率
2 、单相中性点钳位 PFC
与传统的两电平转换器相比，这种拓扑结构具有多项优势。第一款多电平转换器不仅可以生成失真极低的输出电压，还可以在电源开关上产生较低电压的情况下降低 dv/dt 应力；因此，可以减少电磁兼容性 (EMC) 问题。其次，多级转换器可以以低失真消耗输入电流，因此它们具有更好的总谐波失真性能，并且需要体积更小的输入电感器。此拓扑的多级特性可利用更具成本效益的 MOSFET，从而进一步降低设计成本。当需要非常高的效率和功率密度时，GaN/SiC 可用于此拓扑。最后，有源开关可实现转换器的双向运行。一个特殊的缺点是所需功率半导体开关数量更大。尽管多级转换器中可以使用额定电压较低的开关，但每个开关都需要一个隔离式栅极驱动电路，这种电路成本高昂且难以设计。
3 、三相两级 PFC
六开关升压型整流器具有非常简单的电路拓扑和易于控制的特性。它有助于实现双向功率流，并可实现具有合理效率的高功率因数。
由于此拓扑是一种两级拓扑，因此需要高电压阻断开关来阻断整个直流链路电压。例如，在 800V 直流链路电压应用中，功率级需要 1200V 额定阻断容量的碳化硅 (SiC)。此拓扑的缺点之一是滤波电感器体积庞大，它需要将输入电流 THD 调节到较低的值。因此，与节 3.4、节 3.5 和节 3.6 中记录的其他竞争三级拓扑相比，功率密度较低。此外，器件上的峰值电压应力非常高，这会影响功率级中使用的半导体和其他无源器件的长期可靠性。最后，与其他热门的多级 PFC 拓扑相比，转换器的电磁干扰 (EMI) 性能要低得多。
4、 三相 Vienna PFC
图 3-5 所示的 Vienna 整流器电源拓扑用于高功率三相功率因数校正应用中。虽然用于有源三相功率因数转换的拓扑非常之多，但 Vienna 整流器仍然颇受青睐，因为它以连续导通模式 (CCM) 运行，具有固有的多级开关（三级），并且可以降低功率器件上的电压应力。基于迟滞的控制器和基于正弦三角的控制器都用于 Vienna 整流器，因此控制起来相对简单，因为此拓扑所需的 PWM 较少。此拓扑的缺点之一是它仅支持从电网到直流侧的单向模式功率传输。Vienna 整流器的特征是总体体积相对较小或功率密度较高，因为与节 3.3 中所讨论的两级整流器相比，它只需要升压电感器电感的大约一半。输出电压的多级特征还可提供更好的 THD 性能。与两级 PFC 不同，Vienna 整流器具有三级特性，因此可通过 Si MOSFET 或 600V 至 650V IGBT 和 SiC 肖特基二极管在更高的开关频率下实现高效率，并且无需使用高级 1200V SiC 功率 FET 来降低开关损耗。
5 、三相 ANPC/NPC 三级 PFC
图 3-6 所示为中性点钳位 转换器的基本拓扑。这与之前看到的单相 NPC 多级拓扑类似，该拓扑已扩展到三个相位，在这三个相位中，该拓扑的所有开关只需阻断一半的总线电压即可。因此，在目前讨论的所有拓扑中，器件上的电压应力最低。因此，可以根据功率级别、成本和目标效率，在多个平台之间轻松扩展此拓扑，以便使用 SiC、GaN 和 Si MOSFET 实现。
由于只需切换一半的电压，这也将 MOSFET 中的开关损耗减少了一半，因此可以使用 600V 元件而不是 1200V 类型。除此之外，在 600V 技术中，元件的可用速度比 1200V 快得多。这可进一步降低开关损耗。中性点钳位 拓扑将具有较低的输出电流纹波和一半的输出电压瞬态。这将减少滤波电感器中的滤波和隔离工作。因此，我们可以实现高功率密度，同时降低调节电流波形 THD 所需的电感。多级转换器不仅会产生干扰非常小的输出电压，还可以更大限度地减小器件上的 dv/dt 应力，从而减少电磁干扰 (EMI) 问题。此外，由于开关损耗更小且效率更高，此拓扑还提供双向功率传输，是高于 50kHz 开关频率的首选。一个特殊的缺点是需要大量的功率半导体开关。尽管额定电压较低的开关可用于多级转换器，但每个开关都需要一个连接的栅极驱动电路，而且随着器件数量的增加，控制也变得非常复杂。由于此拓扑同时使用有源半导体开关和二极管，因此它们在功率级和热管理中的不对称损耗分布可能非常具有挑战性。在许多情况下，为了实现更对称的损耗分布，NPC 拓扑的二极管被有源开关所取代。这将产生有源中性点钳位 (ANPC) 转换器拓扑，如图 3-7 所示。此外，由于所有开关上的阻断电压降低，因此氮化镓 (GaN) 可用于此拓扑中的高频开关，从而提高转换器的效率和功率密度。
6、 三相 TNPC 三级 PFC
图 3-8 所示为 3L T 型转换器的基本拓扑。传统的两级电压源转换器 (VSC) 拓扑通过有源双向开关扩展到直流链路中点。对于 800V 直流链路电压，每个相位上的高侧和低侧通常使用 1200V IGBT/二极管来实现，因为必须阻断全电压。不同的是，直流链路中点的双向开关只能阻断一半的电压。它可以通过具有较低额定电压的器件来实现，例如两个包含反向并联二极管的 600V IGBT。由于阻断电压降低，中间开关的开关损耗超低，而且传导损耗可接受。与之前讨论的三级 NPC 拓扑不同，没有器件串联连接必须阻断整个直流链路电压。对于 NPC 拓扑，通常省略从正 (P) 电平直接转换到负 (N) 直流链路电压电平，反之亦然，因为当两个串联的 FET 同时关断时，瞬态情况下可能会阻止不均匀的电压份额。这种不良影响在 T 型拓扑中不会发生。没有必要实现可防止此类转换的低级例程，也没有必要确保串联 IGBT 之间的瞬态电压平衡。使用单个 1200V 器件阻断完整直流链路电压的另一个额外好处是减少了导通损耗。每当输出连接到 (P) 或 (N) 时，仅出现一个器件的正向压降，这与两个器件始终串联的 NPC 拓扑相反。导通损耗显著降低，因此即使在低开关频率下，T 型也是一个有趣的选择。总体而言，与 NPC 相比，导通损耗要低得多，但由于器件阻止了完整的直流链路电压，因此开关损耗很高。与 NPC 拓扑相比，元件数量有限，并且与 Vienna 整流器和两级 PFC 相比，效率、功率密度和双向运行能力更好，因此 T 型整流器非常适合频率高达 50kHz（超过此频率时，NPC 性能更好）的应用。此拓扑的缺点之一是高电压阻断 FET 上的高峰值电压应力较高。最后，与其他拓扑类似，它也具有良好的 THD 性能，因此在输
入端不需要笨重的电感器。
7、 AC-DC拓扑总结
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