工業充電器拓撲結構選型基礎知識：升壓PFC拓撲

小到電動工具、割草機，大到叉車、托盤車及自動導引車等物料搬運設備，電池供電設備正日益成為工業和建筑領域的理想選擇。這類電池充電器系統必須兼具可靠性與耐用性，在惡劣的戶外工業環境中保持性能良好，同時滿足緊湊輕量化設計且無需強制冷卻。此外，這些電池充電器系統可能需要由120 - 277 伏交流電甚至480 伏交流電供電。

碳化硅（SiC）功率開關器件正成為一種廣受歡迎的選擇，因其能夠實現更快的開關速度和更優異的低損耗工作，從而在不妥協性能的前提下提高功率密度。此外，SiC還支持 IGBT技術無法實現的新型功率因數拓撲結構。

本文將聚焦于工業充電器PFC 級選型的介紹。

簡介

工業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。大多數基于電池的新型工業設備主要使用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用

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

圖 2.典型電池充電系統框圖

在許多設計中都會使用微控制器來對充電器進行編程，以適應不同的電池電壓和電流容量。為了實現更快速且高效率的充電，需要使用高頻充電器。智能電池充電系統能夠檢測電池的電壓和容量，并根據恒定電壓模式進行充電，同時通過監測電池的電壓、電流和溫度來調節所需的充電電流。SiC MOSFET可在高工作頻率和高溫環境下穩定運行，開關損耗和導通損耗更低。極低的功率損耗使得電池充電器可以實現高功率密度和高效率，散熱片更小，并能自然對流冷卻。

PFC 級選型

接下來，我們將對這些拓撲結構進行選型分析，并討論它們在不同電池供電應用中的適用性。

?升壓 PFC拓撲

連續導通模式升壓PFC 是一種簡單、低成本的解決方案。升壓拓撲由輸入EMI 濾波器、橋式整流器、升壓電感、升壓場效應管和升壓二極管組成，如圖3 所示。

圖 3. 升壓PFC拓撲

定頻平均模式控制器可用于實現高功率因數和低總諧波失真（THD），并調節輸出電壓。推薦使用安森美NCP1654和 NCP1655CCM PFC 控制器。對于大功率應用，可以使用交錯式PFC控制器，如FAN9672和FAN9673。升壓二極管(D1) 推薦使用650V EliteSiC 二極管。EliteSiC MOSFET 可用于高頻和大功率應用，如2 kW 至6.6 kW。帶有iGaN（集成柵極驅動器）的圖騰柱PFC 控制器IC（如NCP1681）可用于600 W 至1.0 kW 的應用。硅超級結MOSFET 和IGBT可用于 20 kHz 至 60 kHz 的低頻應用。

在大功率應用中，輸入電橋損耗明顯更高。用Si 或SiC MOSFET 等有源開關取代二極管，可以降低功率損耗。半無橋PFC 和圖騰柱PFC 拓撲非常流行，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通道柵極驅動器和定頻圖騰柱PFC 控制器NCP1681B組成，如圖 4所示。

圖 4.圖騰柱 PFC拓撲

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中集成的二極管具有低反向恢復時間。SiC和 GaN功率開關適用于圖騰柱PFC 的高頻支路。安森美建議在600 W 至1.2 kW 應用中使用帶集成柵極驅動器的iGaN，在1.5 kW 至6.6 kW 應用中使用SiC MOSFET。集成SiC 二極管的IGBT 可用于20 - 40 kHz 的應用。低頻支路可使用低RDS(on) 硅超級結MOSFET 或低VCE(SAT) IGBT。交錯式圖騰柱PFC 可用于4.0 kW 至6.6 kW 應用。

基于MOSFET的圖騰柱PFC級通過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的應用；NTH4L015N065SC1和即將上市的NTH4L012N065M3S適合6.6kW的應用。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）。