工业充电器拓扑结构选型分析

小到电动工具、割草机，大到叉车、托盘车及自动导引车等物料搬运设备，电池供电设备正日益成为工业和建筑领域的理想选择。

这类电池充电器系统必须兼具可靠性与耐用性，在恶劣的户外工业环境中保持性能良好，同时满足紧凑轻量化设计且无需强制冷却。此外，这些电池充电器系统可能需要由120 - 277 伏交流电甚至480 伏交流电供电。

碳化硅（SiC）功率开关器件正成为一种广受欢迎的选择，因其能够实现更快的开关速度和更优异的低损耗工作，从而在不妥协性能的前提下提高功率密度。此外，SiC还支持 IGBT技术无法实现的新型功率因数拓扑结构。

本白皮书回顾了多种功率拓扑结构，例如图腾柱PFC（totem pole PFC）、半桥LLC（half bridge LLC）、带同步整流的全桥LLC （full bridge LLC）谐振拓扑以及双有源桥（Dual Active Bridge）。同时，还提出了功率因数校正（PFC）级与初级功率级的SiC MOSFET选型方案，以及次级同步整流功率级的硅基MOSFET选型策略。最后介绍了安森美（onsemi）650V M3S EliteSiC MOSFET 的优势及其性能特点。

本文为第一篇，将聚焦工业充电器简介、PFC 级选型。

简介

工业电池充电器需要为不同的电池充电，如铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池。大多数基于电池的新型工业设备主要使用12 伏至120 伏的锂离子电池和磷酸锂电池。(图1）

图 1.锂离子电池组的典型应用

工业充电器由PFC前端电路与带恒压恒流控制的隔离式DC-DC变换级组成。（图2）

图 2.典型电池充电系统框图

在许多设计中都会使用微控制器来对充电器进行编程，以适应不同的电池电压和电流容量。为了实现更快速且高效率的充电，需要使用高频充电器。智能电池充电系统能够检测电池的电压和容量，并根据恒定电压模式进行充电，同时通过监测电池的电压、电流和温度来调节所需的充电电流。SiC MOSFET可在高工作频率和高温环境下稳定运行，开关损耗和导通损耗更低。极低的功率损耗使得电池充电器可以实现高功率密度和高效率，散热片更小，并能自然对流冷却。

PFC 级选型

接下来，我们将对这些拓扑结构进行选型分析，并讨论它们在不同电池供电应用中的适用性。

?升压 PFC拓扑

连续导通模式升压PFC 是一种简单、低成本的解决方案。升压拓扑由输入EMI 滤波器、桥式整流器、升压电感、升压场效应管和升压二极管组成，如图3 所示。

图 3. 升压PFC拓扑

定频平均模式控制器可用于实现高功率因数和低总谐波失真（THD），并调节输出电压。推荐使用安森美NCP1654和 NCP1655CCM PFC 控制器。对于大功率应用，可以使用交错式PFC控制器，如FAN9672和FAN9673。升压二极管(D1) 推荐使用650V EliteSiC 二极管。EliteSiC MOSFET 可用于高频和大功率应用，如2 kW 至6.6 kW。带有iGaN（集成栅极驱动器）的图腾柱PFC 控制器IC（如NCP1681）可用于600 W 至1.0 kW 的应用。硅超级结MOSFET 和IGBT可用于 20 kHz 至 60 kHz 的低频应用。

在大功率应用中，输入电桥损耗明显更高。用Si 或SiC MOSFET 等有源开关取代二极管，可以降低功率损耗。半无桥PFC 和图腾柱PFC 拓扑非常流行，它们可以省去桥式整流器，从而减少损耗。

?图腾柱PFC

图腾柱PFC 由EMI 滤波器、升压电感、高频半桥、低频半桥、2通道栅极驱动器和定频图腾柱PFC 控制器NCP1681B组成，如图 4所示。

图 4.图腾柱 PFC拓扑

图 5.基于 SiC的 3 kW 图腾柱 PFC和 LLC电源

图腾柱 PFC的高频支路要求功率开关中集成的二极管具有低反向恢复时间。SiC和 GaN功率开关适用于图腾柱PFC 的高频支路。安森美建议在600 W 至1.2 kW 应用中使用带集成栅极驱动器的iGaN，在1.5 kW 至6.6 kW 应用中使用SiC MOSFET。集成SiC 二极管的IGBT 可用于20 - 40 kHz 的应用。低频支路可使用低RDS(on) 硅超级结MOSFET 或低VCE(SAT) IGBT。交错式图腾柱PFC 可用于4.0 kW 至6.6 kW 应用。

基于MOSFET的图腾柱PFC级通过去除笨重且损耗大的桥式整流器，提高了效率和功率密度。安森美的650V EliteSiC MOSFET非常适合图腾柱PFC的高频支路。安森美650V EliteSiC MOSFET如NTH4L045N065SC1和NTH4L032N065M3S适合3.0kW的应用；NTH4L015N065SC1和即将上市的NTH4L012N065M3S适合6.6kW的应用。NTHL017N60S5H则适用于图腾柱PFC的低频支路。

(图 5显示了基于SiC的 3 kW图腾柱 PFC和 LLC电源的示例）。

未完待续，后续推文将介绍隔离式DC-DC功率级的选择、元器件选型等。