在工業(yè)電池領(lǐng)域，碳化硅（SiC）功率開關(guān)器件正憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，成為越來越受歡迎的選擇。SiC 功率開關(guān)器件能夠?qū)崿F(xiàn)更快的開關(guān)速度，并且在工作時(shí)具有更低的損耗，這使得它在不犧牲性能的前提下，能夠顯著提高功率密度。此外，SiC 還支持一些 IGBT 技術(shù)無法實(shí)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(jì)帶來了更多的可能性。

本白皮書不僅回顧了多種功率拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，還詳細(xì)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。，著重介紹了安森美（onsemi）650V M3S EliteSiC MOSFET 的優(yōu)勢(shì)及其卓越的性能特點(diǎn)。白皮書篇主要介紹了工業(yè)充電器簡介以及 PFC 級(jí)選型，而本篇將聚焦于隔離式 DC - DC 功率級(jí)的選擇。

對(duì)于隔離式 DC - DC 轉(zhuǎn)換，可以根據(jù)應(yīng)用的功率等級(jí)來選擇多種不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以下是幾種常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其適用場景：

半橋 LLC 拓?fù)?/h4>

采用次級(jí)端全橋同步整流的半橋 LLC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，非常適合 600W 至 3.0kW 的充電器應(yīng)用。其中，iGaN 功率開關(guān)適用于 600W 至 1.0kW 的充電器，而 SiC MOSFET 則更適用于 1.2kW 至 3.0kW 的應(yīng)用。對(duì)于 4.0kW 至 6.6kW 的應(yīng)用，可以選用全橋 LLC 拓?fù)浠蚪诲e(cuò)式 LLC 拓?fù)?；雙有源橋則適用于 6.0kW 至 30.0kW 的應(yīng)用。通過并聯(lián)多個(gè) 6.0kW 充電器，可實(shí)現(xiàn) 12.0kW 至 30kW 的功率輸出。
在半橋 LLC 拓?fù)渲?，NTH4L045N065SC1 或 NTBL032N065M3S 650V EliteSiC MOSFET 適用于初級(jí)端半橋電路，80 - 150V 的 Si MOSFET 則適用于次級(jí)端同步整流應(yīng)用。NTBLS0D8N08X 和 NTBLS4D0N15MC 是適用于 48V 及 80V - 120V 電池充電器應(yīng)用的 Si MOSFET。

圖 1. 半橋 LLC 隔離型 LLC 拓?fù)?/p>

全橋 LLC 拓?fù)?/h4>

全橋 LLC 拓?fù)溆蓛蓚€(gè)半橋（S1 - S2 和 S3 - S4）組成，包含變壓器初級(jí)繞組 Lm 和諧振 LC 網(wǎng)絡(luò)。在全橋電路中，對(duì)角線布局的 SiC MOSFET 由相同的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)。次級(jí)端全橋 LLC 拓?fù)溆蓛蓚€(gè)半橋（S5 - S6 和 S7 - S8）組成，使用的是同步整流 Si MOSFET。雙向 Si MOSFET 開關(guān) S9 - S10 提供了電壓倍增功能，可實(shí)現(xiàn) 40V 至 120V 的寬電壓輸出。對(duì)于 40V - 120V 的寬電壓范圍電池充電器應(yīng)用，初級(jí)端采用全橋 LLC 拓?fù)洹⒋渭?jí)端采用帶雙向開關(guān)電壓倍增器同步全橋電路拓?fù)涫呛线m的方案。

圖 2. 帶次級(jí)電壓倍增器電路的全橋 LLC 拓?fù)?/p>

如圖 3 所示，帶有 2 個(gè)變壓器及 2 個(gè)次級(jí)全橋同步整流電路的全橋 LLC 拓?fù)?，適用于 4.0kW 至 6.6kW 的應(yīng)用。

圖 3. 帶有 2 個(gè)變壓器和 2 個(gè)全橋同步整流器的全橋 LLC 拓?fù)?/p>

交錯(cuò)式三相 LLC 拓?fù)?/h4>

對(duì)于 6.6kW - 12.0kW 的大功率應(yīng)用，建議采用交錯(cuò)式 LLC 拓?fù)?，這種拓?fù)淇梢詫⒐β蕮p耗分散到多個(gè)開關(guān)和變壓器中，從而提高系統(tǒng)的效率和可靠性。
三相交錯(cuò)式 LLC 由 3 個(gè)半橋（S1 - S2、S3 - S4 和 S5 - S6）、3 個(gè)諧振 LC 電路、3 個(gè)帶勵(lì)磁電感的變壓器組成，次級(jí)端采用 3 個(gè)帶諧振 LC 網(wǎng)絡(luò)的半橋（S7 - S8、S9 - S10 和 S11 - S12）組成，以實(shí)現(xiàn)雙向操作。初級(jí)端 3 組半橋電路以諧振開關(guān)頻率工作，彼此保持 120 度相位差。此三相交錯(cuò)式 LLC 拓?fù)淇僧a(chǎn)生三倍開關(guān)頻率的輸出紋波，并顯著減小濾波電容尺寸。如圖 4 所示，這種交錯(cuò)式三相 LLC 拓?fù)溥m用于 6.6kW - 12kW 的充電器應(yīng)用。

圖 4. 交錯(cuò)式三相 LLC 拓?fù)?/p>

雙有源橋

如圖 5 所示的雙有源橋適用于大功率充電器應(yīng)用，例如為騎乘式割草機(jī)、叉車和電動(dòng)摩托車供電。雙有源橋適用于 6.6kW 至 11.0kW 的工業(yè)充電器應(yīng)用。

單級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適用于輸入電壓為 120 - 347V 單相 AC 輸入的工業(yè)充電器應(yīng)用。如圖 6 所示，初級(jí)端帶有雙向 AC 開關(guān)的雙有源橋適用于 4.0kW 至 11.0kW 的工業(yè)充電器應(yīng)用。650 - 750V SiC MOSFET 和 GaN HEMT 適用于雙向開關(guān)應(yīng)用。NTBL032N065M3S 和 NTBL023N065M3S 650V M3S EliteSiC MOSFET 推薦用于初級(jí)端雙向開關(guān)。通過將 2 個(gè)裸芯集成到 TOLL 或 TOLT 封裝中，以實(shí)現(xiàn)雙向開關(guān)。GaN 技術(shù)同樣適用于雙向開關(guān)應(yīng)用。

另一種值得關(guān)注的單級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是帶有集成式全橋隔離 LLC DC - DC 轉(zhuǎn)換器的交錯(cuò)式圖騰柱 PFC。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)結(jié)合了交錯(cuò)式圖騰柱 PFC 和 LLC 級(jí)的優(yōu)點(diǎn)，為工業(yè)充電器的設(shè)計(jì)提供了一種新的思路。

本部分內(nèi)容未完待續(xù)，下篇將繼續(xù)介紹優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與元器件選型等方面的內(nèi)容。在選擇合適的隔離式 DC - DC 功率級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，需要綜合考慮應(yīng)用的功率等級(jí)、效率要求、成本等因素，以確保設(shè)計(jì)出的工業(yè)充電器能夠滿足實(shí)際需求。

此外，在工業(yè)電源領(lǐng)域還有一些相關(guān)的產(chǎn)品和技術(shù)值得關(guān)注。例如，廣州致遠(yuǎn)電子有限公司近期推出了系列的工業(yè)級(jí)微功率 DC - DC 電源模塊，能夠廣泛應(yīng)用于低頻模擬電路、大功率 IGBT 驅(qū)動(dòng)、純數(shù)字電路、模擬前端等領(lǐng)域?；?500mW 隔離式設(shè)計(jì)中無需單獨(dú)的隔離式 DC - DC 轉(zhuǎn)換器，如 同時(shí)，對(duì)于 USB 大功率充電器 DC - DC 轉(zhuǎn)換器的開關(guān)噪聲問題，也需要采取相應(yīng)的措施來應(yīng)對(duì)。新的 Wolfspeed WolfPACK 全橋模塊專為隔離式 DC - DC 轉(zhuǎn)換器而設(shè)計(jì)，隔離式 DC - DC 轉(zhuǎn)換器在電動(dòng)汽車充電器、工業(yè)電源、儲(chǔ)能系統(tǒng)、電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施、焊接 / 感應(yīng)加熱等許多電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用中都是關(guān)鍵組件。還有基于三相二電平 PFC 和隔離 DC - DC 轉(zhuǎn)換器的 11kW 雙向電池充電器，如 STDES - BCBIDIR，它是工業(yè)和汽車領(lǐng)域高壓充電的完整解決方案，由一個(gè) PFC 和隔離 DC - DC 轉(zhuǎn)換器兩個(gè)功率級(jí)組成。