小到電動(dòng)工具、割草機(jī)，大到叉車、托盤車及自動(dòng)導(dǎo)引車等物料搬運(yùn)設(shè)備，電池供電設(shè)備正日益成為工業(yè)和建筑領(lǐng)域的理想選擇。

這類電池充電器系統(tǒng)必須兼具可靠性與耐用性，在惡劣的戶外工業(yè)環(huán)境中保持性能良好，同時(shí)滿足緊湊輕量化設(shè)計(jì)且無(wú)需強(qiáng)制冷卻。此外，這些電池充電器系統(tǒng)可能需要由120 - 277 伏交流電甚至480 伏交流電供電。

碳化硅（SiC）功率開關(guān)器件正成為一種廣受歡迎的選擇，因其能夠?qū)崿F(xiàn)更快的開關(guān)速度和更優(yōu)異的低損耗工作，從而在不妥協(xié)性能的前提下提高功率密度。此外，SiC還支持 IGBT技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的新型功率因數(shù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

本白皮書回顧了多種功率拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，例如圖騰柱PFC（totem pole PFC）、半橋LLC（half bridge LLC）、帶同步整流的全橋LLC （full bridge LLC）諧振拓?fù)湟约半p有源橋（Dual Active Bridge）。同時(shí)，還提出了功率因數(shù)校正（PFC）級(jí)與初級(jí)功率級(jí)的SiC MOSFET選型方案，以及次級(jí)同步整流功率級(jí)的硅基MOSFET選型策略。最后介紹了安森美（onsemi）650V M3S EliteSiC MOSFET 的優(yōu)勢(shì)及其性能特點(diǎn)。

本文為第一篇，將聚焦工業(yè)充電器簡(jiǎn)介、PFC 級(jí)選型。

簡(jiǎn)介

工業(yè)電池充電器需要為不同的電池充電，如鉛酸電池、鎳氫電池和鋰離子電池。大多數(shù)基于電池的新型工業(yè)設(shè)備主要使用12 伏至120 伏的鋰離子電池和磷酸鋰電池。(圖1）

圖 1.鋰離子電池組的典型應(yīng)用

工業(yè)充電器由PFC前端電路與帶恒壓恒流控制的隔離式DC-DC變換級(jí)組成。（圖2）

圖 2.典型電池充電系統(tǒng)框圖

在許多設(shè)計(jì)中都會(huì)使用微控制器來(lái)對(duì)充電器進(jìn)行編程，以適應(yīng)不同的電池電壓和電流容量。為了實(shí)現(xiàn)更快速且高效率的充電，需要使用高頻充電器。智能電池充電系統(tǒng)能夠檢測(cè)電池的電壓和容量，并根據(jù)恒定電壓模式進(jìn)行充電，同時(shí)通過(guò)監(jiān)測(cè)電池的電壓、電流和溫度來(lái)調(diào)節(jié)所需的充電電流。SiC MOSFET可在高工作頻率和高溫環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行，開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗更低。極低的功率損耗使得電池充電器可以實(shí)現(xiàn)高功率密度和高效率，散熱片更小，并能自然對(duì)流冷卻。

PFC 級(jí)選型

接下來(lái)，我們將對(duì)這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行選型分析，并討論它們?cè)诓煌姵毓╇姂?yīng)用中的適用性。

?升壓 PFC拓?fù)?/p>

連續(xù)導(dǎo)通模式升壓PFC 是一種簡(jiǎn)單、低成本的解決方案。升壓拓?fù)溆奢斎隕MI 濾波器、橋式整流器、升壓電感、升壓場(chǎng)效應(yīng)管和升壓二極管組成，如圖3 所示。

圖 3. 升壓PFC拓?fù)?/p>

定頻平均模式控制器可用于實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)和低總諧波失真（THD），并調(diào)節(jié)輸出電壓。推薦使用安森美NCP1654和 NCP1655CCM PFC 控制器。對(duì)于大功率應(yīng)用，可以使用交錯(cuò)式PFC控制器，如FAN9672和FAN9673。升壓二極管(D1) 推薦使用650V EliteSiC 二極管。EliteSiC MOSFET 可用于高頻和大功率應(yīng)用，如2 kW 至6.6 kW。帶有iGaN（集成柵極驅(qū)動(dòng)器）的圖騰柱PFC 控制器IC（如NCP1681）可用于600 W 至1.0 kW 的應(yīng)用。硅超級(jí)結(jié)MOSFET 和IGBT可用于 20 kHz 至 60 kHz 的低頻應(yīng)用。

在大功率應(yīng)用中，輸入電橋損耗明顯更高。用Si 或SiC MOSFET 等有源開關(guān)取代二極管，可以降低功率損耗。半無(wú)橋PFC 和圖騰柱PFC 拓?fù)浞浅Ａ餍?，它們可以省去橋式整流器，從而減少損耗。

?圖騰柱PFC

圖騰柱PFC 由EMI 濾波器、升壓電感、高頻半橋、低頻半橋、2通道柵極驅(qū)動(dòng)器和定頻圖騰柱PFC 控制器NCP1681B組成，如圖 4所示。

圖 4.圖騰柱 PFC拓?fù)?/p>

圖 5.基于 SiC的 3 kW 圖騰柱 PFC和 LLC電源

圖騰柱 PFC的高頻支路要求功率開關(guān)中集成的二極管具有低反向恢復(fù)時(shí)間。SiC和 GaN功率開關(guān)適用于圖騰柱PFC 的高頻支路。安森美建議在600 W 至1.2 kW 應(yīng)用中使用帶集成柵極驅(qū)動(dòng)器的iGaN，在1.5 kW 至6.6 kW 應(yīng)用中使用SiC MOSFET。集成SiC 二極管的IGBT 可用于20 - 40 kHz 的應(yīng)用。低頻支路可使用低RDS(on) 硅超級(jí)結(jié)MOSFET 或低VCE(SAT) IGBT。交錯(cuò)式圖騰柱PFC 可用于4.0 kW 至6.6 kW 應(yīng)用。

基于MOSFET的圖騰柱PFC級(jí)通過(guò)去除笨重且損耗大的橋式整流器，提高了效率和功率密度。安森美的650V EliteSiC MOSFET非常適合圖騰柱PFC的高頻支路。安森美650V EliteSiC MOSFET如NTH4L045N065SC1和NTH4L032N065M3S適合3.0kW的應(yīng)用；NTH4L015N065SC1和即將上市的NTH4L012N065M3S適合6.6kW的應(yīng)用。NTHL017N60S5H則適用于圖騰柱PFC的低頻支路。

(圖 5顯示了基于SiC的 3 kW圖騰柱 PFC和 LLC電源的示例）。

未完待續(xù)，后續(xù)推文將介紹隔離式DC-DC功率級(jí)的選擇、元器件選型等。