在當(dāng)今的工業(yè)和建筑領(lǐng)域，電池供電設(shè)備的應(yīng)用日益廣泛，小到電動工具、割草機，大到叉車、托盤車及自動導(dǎo)引車等物料搬運設(shè)備，都離不開電池的支持。這些工業(yè)電池充電器系統(tǒng)不僅要具備可靠性和耐用性，能夠在惡劣的戶外工業(yè)環(huán)境中穩(wěn)定運行，還要滿足緊湊輕量化設(shè)計的要求，并且無需強制冷卻。此外，它們可能需要由 120 - 277 伏交流電甚至 480 伏交流電供電。
碳化硅（SiC）功率開關(guān)器件憑借其出色的性能，正逐漸成為工業(yè)充電器設(shè)計中的熱門選擇。SiC 能夠?qū)崿F(xiàn)更快的開關(guān)速度和更低的損耗，在不犧牲性能的前提下顯著提高功率密度。而且，SiC 還支持 IGBT 技術(shù)無法實現(xiàn)的新型功率因數(shù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，為工業(yè)充電器的設(shè)計帶來了更多的可能性。
本白皮書對多種功率拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入回顧，包括圖騰柱 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）等。同時，還提出了功率因數(shù)校正（PFC）級與初級功率級的 SiC MOSFET 選型方案，以及次級同步整流功率級的硅基 MOSFET 選型策略。，詳細(xì)介紹了安森美（onsemi）650V M3S EliteSiC MOSFET 的優(yōu)勢及其性能特點。本文作為系列文章的篇，將聚焦于工業(yè)充電器的簡介以及 PFC 級的選型。
工業(yè)電池充電器需要為不同類型的電池充電，常見的有鉛酸電池、鎳氫電池和鋰離子電池等。目前，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. 鋰離子電池組的典型應(yīng)用
工業(yè)充電器通常由 PFC 前端電路與帶恒壓恒流控制的隔離式 DC - DC 變換級組成。
在許多工業(yè)充電器設(shè)計中，會使用微控制器對充電器進(jìn)行編程，以適應(yīng)不同電池的電壓和電流容量。為了實現(xiàn)更快速且高效率的充電，高頻充電器成為了。智能電池充電系統(tǒng)能夠?qū)崟r檢測電池的電壓和容量，并根據(jù)恒定電壓模式進(jìn)行充電，同時通過監(jiān)測電池的電壓、電流和溫度來動態(tài)調(diào)節(jié)所需的充電電流。SiC MOSFET 具有在高工作頻率和高溫環(huán)境下穩(wěn)定運行的特性，其開關(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現(xiàn)高功率密度和高效率，散熱片更小，并且能夠采用自然對流冷卻的方式，大大簡化了散熱設(shè)計。
接下來，我們將對幾種常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的選型分析，并探討它們在不同電池供電應(yīng)用中的適用性。
連續(xù)導(dǎo)通模式升壓 PFC 是一種簡單且低成本的解決方案。升壓拓?fù)渲饕奢斎?EMI 濾波器、橋式整流器、升壓電感、升壓場效應(yīng)管和升壓二極管組成，具體結(jié)構(gòu)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。在實際應(yīng)用中，推薦使用安森美 NCP1654 和 NCP1655 CCM PFC 控制器。對于大功率應(yīng)用，可以采用交錯式 PFC 控制器，如 FAN9672 和 FAN9673。升壓二極管（D1）推薦使用 650V EliteSiC 二極管，其具有優(yōu)異的性能，能夠有效提高電路的效率。EliteSiC MOSFET 可用于高頻和大功率應(yīng)用，如 2kW 至 6.6kW 的場合。帶有 iGaN（集成柵極驅(qū)動器）的圖騰柱 PFC 控制器 IC（如 NCP1681）可用于 600W 至 1.0kW 的應(yīng)用。而硅超級結(jié) MOSFET 和 IGBT 則適用于 20kHz 至 60kHz 的低頻應(yīng)用。
在大功率應(yīng)用中，輸入電橋的損耗會明顯增加。為了降低功率損耗，可以使用 Si 或 SiC MOSFET 等有源開關(guān)取代二極管。半無橋 PFC 和圖騰柱 PFC 拓?fù)湟蚱淇梢允∪蚴秸髌?，從而減少損耗，在大功率應(yīng)用中非常流行。
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)動器和定頻圖騰柱 PFC 控制器 NCP1681B 組成，其結(jié)構(gòu)如圖 4 所示。
圖 4. 圖騰柱 PFC 拓?fù)?/p>
圖 5. 基于 SiC 的 3kW 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)時間。SiC 和 GaN 功率開關(guān)因其出色的性能，非常適合用于圖騰柱 PFC 的高頻支路。安森美建議在 600W 至 1.2kW 應(yīng)用中使用帶集成柵極驅(qū)動器的 iGaN，在 1.5kW 至 6.6kW 應(yīng)用中使用 SiC MOSFET。集成 SiC 二極管的 IGBT 可用于 20 - 40kHz 的應(yīng)用。低頻支路可使用低 RDS (on) 硅超級結(jié) MOSFET 或低 VCE (SAT) IGBT。交錯式圖騰柱 PFC 可用于 4.0kW 至 6.6kW 應(yīng)用。
