工業(yè)電池充電器的PFC級(jí)拓?fù)鋵?duì)比：升壓vs圖騰柱

作者：安森美（onsemi） Prasad Paruchuri

工業(yè)設(shè)備正在向電動(dòng)化轉(zhuǎn)型，亟需穩(wěn)健、可靠、高效的電池充電方案。從電動(dòng)工具到重型機(jī)械，其充電器必須能夠適應(yīng)惡劣的環(huán)境和不同的電源(120-480 Vac)，并在設(shè)計(jì)上優(yōu)先考慮小型化、輕量化和自然對(duì)流散熱。本文旨在為工程師提供設(shè)計(jì)此類關(guān)鍵系統(tǒng)的指導(dǎo)，重點(diǎn)討論拓?fù)溥x擇和器件選型，尤其是具有顛覆意義的碳化硅(SiC) MOSFET。

現(xiàn)代工業(yè)充電體系

工業(yè)電池充電器需要支持多種類型的化學(xué)電池，這是一個(gè)挑戰(zhàn)。鋰離子電池（尤其是12V-120V范圍內(nèi)的電池）已成為工業(yè)應(yīng)用的主流選擇（圖1），驅(qū)動(dòng)著從手持工具到物料搬運(yùn)設(shè)備的一切應(yīng)用。

圖1.鋰離子電池組的典型應(yīng)用

典型的工業(yè)充電器架構(gòu)包括兩個(gè)關(guān)鍵電路級(jí)：

• 功率因數(shù)校正 (PFC)：該前端確保高效利用交流電源，盡量減少諧波失真，并實(shí)現(xiàn)功率輸出最大化。
• 隔離式 DC-DC 級(jí)：該級(jí)提供隔離以確保安全，并調(diào)節(jié)輸出電壓和電流，為電池精準(zhǔn)充電。

圖2.典型電池充電系統(tǒng)框圖

充電過程通常由微控制器管理，以適應(yīng)不同的電池特性。高頻運(yùn)行是快速充電和提高能效的關(guān)鍵。SiC MOSFET非常適合這種苛刻的環(huán)境。它能以高頻運(yùn)行，開關(guān)損耗極小，有助于實(shí)現(xiàn)緊湊、被動(dòng)散熱式設(shè)計(jì)——這在工業(yè)環(huán)境中是一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。

選擇合適的拓?fù)洌篜FC級(jí)

功率因數(shù)校正(PFC)級(jí)對(duì)于高效率電源轉(zhuǎn)換至關(guān)重要。如下是主要的拓?fù)溥x擇：

1.升壓PFC：

這種拓?fù)洌▓D3）使用廣泛，采用的元器件有EMI濾波器、橋式整流器、升壓電感器、升壓FET和升壓二極管。安森美NCP1654/NCP1655這樣的控制器通常用于管理功率因數(shù)并盡量減少總諧波失真(THD)。對(duì)于更高功率的應(yīng)用，F(xiàn)AN9672/FAN9673等控制器的交錯(cuò)式PFC是更好的選擇。

對(duì)于升壓二極管，650V EliteSiC 二極管性能出色。SiC MOSFET 是高頻率、大功率(2kW-6.6kW)應(yīng)用的理想開關(guān)元件。針對(duì)較低功率應(yīng)用(600W-1kW)，可以考慮集成GaN驅(qū)動(dòng)器的NCP1681圖騰柱PFC控制器。頻率較低時(shí)(20kHz-60kHz)，可以使用硅超級(jí)結(jié)MOSFET或IGBT。在較高功率水平下，一個(gè)關(guān)鍵考慮因素是盡量減少橋式整流器的損耗。為提高能效，通常采用半無橋或圖騰柱配置的有源開關(guān)（Si或SiC MOSFET）。

圖3.升壓PFC拓?fù)?/p>

2. 圖騰柱PFC：

圖騰柱PFC拓?fù)洌▓D4）消除了傳統(tǒng)的橋式整流器，因此能效更高。它包含EMI濾波器、升壓電感器、高頻和低頻半橋、柵極驅(qū)動(dòng)器以及專用圖騰柱PFC控制器（如NCP1681B）。

圖4.圖騰柱PFC拓?fù)?/p>

圖騰柱PFC的高頻橋臂需要一個(gè)低反向恢復(fù)時(shí)間的功率開關(guān)，因此SiC和GaN器件是理想選擇。安森美建議，600W至1.2kW的應(yīng)用采用集成GaN驅(qū)動(dòng)器，1.5kW至6.6kW的應(yīng)用采用SiC MOSFET。集成SiC二極管的IGBT可以在較低頻率(20-40kHz)下使用。低RDS(on)硅超級(jí)結(jié)MOSFET或低VCE(SAT)IGBT 適用于低頻橋臂。

針對(duì)較高的功率(4.0kW-6.6kW)，請(qǐng)考慮交錯(cuò)式圖騰柱PFC配置。安森美的650V EliteSiC MOSFET，例如適合3kW應(yīng)用的NTH4L032N065M3S和NTH4L023N065M3S，以及適合6.6kW應(yīng)用的NTH4L015N065SC1或SiC共源共柵JFET（如UJ4SC075009K4S），是高頻橋臂的出色選擇。NTHL017N60S5H或SiC組合式JFET（如UG4SC075005L8S）適用于低頻橋臂。圖5提供了一個(gè)基于SiC的3kW圖騰柱PFC和LLC電源的實(shí)例。（圖5所示為基于SiC的3kW圖騰柱PFC和LLC電源示例。）

圖5.基于SiC的3 kW 圖騰柱PFC和LLC電源