PFC Stage Design for Industrial Battery Chargers: Topologies & Components

工业设备正在向电动化转型，亟需稳健、可靠、高效的电池充电方案。从电动工具到重型机械，其充电器必须能够适应恶劣的环境和不同的电源 (120-480 Vac)，并在设计上优先考虑小型化、轻量化和自然对流散热。本系列博客（分为第 1 部分和第 2 部分）旨在为工程师提供设计此类关键系统的指导，重点讨论拓扑选择和器件选型，尤其是具有颠覆意义的碳化硅 (SiC) MOSFET。

现代工业充电体系

工业电池充电器需要支持多种类型的化学电池，这是一个挑战。锂离子电池（尤其是 12V-120V 范围内的电池）已成为工业应用的主流选择（图 1），驱动着从手持工具到物料搬运设备的一切应用。

典型的工业充电器架构包括两个关键电路级：

1. 功率因数校正 (PFC)：该前端确保高效利用交流电源，尽量减少谐波失真，并实现功率输出最大化。
2. 隔离式 DC-DC 级：该级提供隔离以确保安全，并调节输出电压和电流，为电池精准充电。

充电过程通常由微控制器管理，以适应不同的电池特性。高频运行是快速充电和提高能效的关键。SiC MOSFET 非常适合这种苛刻的环境。它能以高频运行，开关损耗极小，有助于实现紧凑、被动散热式设计——这在工业环境中是一个关键优势。

选择合适的拓扑：PFC 级

功率因数校正 (PFC) 级对于高效率电源转换至关重要。如下是主要的拓扑选择：

1. 升压 PFC：

这种拓扑（图 3）使用广泛，采用的元器件有 EMI 滤波器、桥式整流器、升压电感器、升压 FET 和升压二极管。安森美 (onsemi) NCP1654/NCP1655 这样的控制器通常用于管理功率因数并尽量减少总谐波失真 (THD)。对于更高功率的应用，FAN9672/FAN9673 等控制器的交错式 PFC 是更好的选择。对于升压二极管，650V EliteSiC 二极管性能出色。SiC MOSFET 是高频率、大功率 (2kW-6.6kW) 应用的理想开关元件。针对较低功率应用 (600W-1kW)，可以考虑集成 GaN 驱动器的 NCP1681 图腾柱 PFC 控制器。频率较低时 (20kHz-60kHz)，可以使用硅超级结 MOSFET 或 IGBT。在较高功率水平下，一个关键考虑因素是尽量减少桥式整流器的损耗。为提高能效，通常采用半无桥或图腾柱配置的有源开关（Si 或 SiC MOSFET）。

2. 图腾柱 PFC：

图腾柱 PFC 拓扑（图 4）消除了传统的桥式整流器，因此能效更高。它包含 EMI 滤波器、升压电感器、高频和低频半桥、栅极驱动器以及专用图腾柱 PFC 控制器（如 NCP1681B）。

图腾柱 PFC 的高频桥臂需要一个低反向恢复时间的功率开关，因此 SiC 和 GaN 器件是理想选择。安森美建议，600W 至 1.2kW 的应用采用集成 GaN 驱动器，1.5kW 至 6.6kW 的应用采用 SiC MOSFET。集成 SiC 二极管的 IGBT 可以在较低频率 (20-40kHz) 下使用。低 RDS(on) 硅超级结 MOSFET 或低 VCE(SAT) IGBT 适用于低频桥臂。针对较高的功率 (4.0kW-6.6kW)，请考虑交错式图腾柱 PFC 配置。安森美的 650V EliteSiC MOSFET，例如适合 3kW 应用的 NTH4L032N065M3S 和 NTH4L023N065M3S，以及适合 6.6kW 应用的 NTH4L015N065SC1 或 SiC 共源共栅 JFET（如 UJ4SC075009K4S），是高频桥臂的出色选择。NTHL017N60S5H 或 SiC 组合式 JFET（如 UG4SC075005L8S）适用于低频桥臂。图 5 提供了一个基于 SiC 的 3kW 图腾柱 PFC 和 LLC 电源的实例。（图 5 所示为基于 SiC 的 3kW 图腾柱 PFC 和 LLC 电源示例。）

本系列博客的第 2 部分将详细解释隔离式 DC-DC 级及主要拓扑和器件选择标准。

了解有关 650V EliteSiC MOSFET、SiC 共源共栅 JFET 和 SiC 组合式 JFET 的更多信息。