工業電池充電器的PFC級拓撲對比：升壓vs圖騰柱
2025-06-20 11:37:16 Prasad Paruchuri，安森美（onsemi）工業設備正在向電動化轉型，亟需穩健、可靠、高效的電池充電方案。從電動工具到重型機械，其充電器必須能夠適應惡劣的環境和不同的電源(120-480 Vac)，并在設計上優先考慮小型化、輕量化和自然對流散熱。本文旨在為工程師提供設計此類關鍵系統的指導，重點討論拓撲選擇和器件選型，尤其是具有顛覆意義的碳化硅(SiC) MOSFET。 
現代工業充電體系
工業電池充電器需要支持多種類型的化學電池，這是一個挑戰。鋰離子電池（尤其是12V-120V范圍內的電池）已成為工業應用的主流選擇（圖1），驅動著從手持工具到物料搬運設備的一切應用。
圖1.鋰離子電池組的典型應用
典型的工業充電器架構包括兩個關鍵電路級：
· 功率因數校正 (PFC)：該前端確保高效利用交流電源，盡量減少諧波失真，并實現功率輸出最大化。
· 隔離式 DC-DC 級：該級提供隔離以確保安全，并調節輸出電壓和電流，為電池精準充電。
圖2.典型電池充電系統框圖
充電過程通常由微控制器管理，以適應不同的電池特性。高頻運行是快速充電和提高能效的關鍵。SiC MOSFET非常適合這種苛刻的環境。它能以高頻運行，開關損耗極小，有助于實現緊湊、被動散熱式設計——這在工業環境中是一個關鍵優勢。
選擇合適的拓撲：PFC級
功率因數校正(PFC)級對于高效率電源轉換至關重要。如下是主要的拓撲選擇：
1.升壓PFC：
這種拓撲（圖3）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并盡量減少總諧波失真(THD)。對于更高功率的應用，FAN9672/FAN9673等控制器的交錯式PFC是更好的選擇。
對于升壓二極管，650V EliteSiC 二極管性能出色。SiC MOSFET 是高頻率、大功率(2kW-6.6kW)應用的理想開關元件。針對較低功率應用(600W-1kW)，可以考慮集成GaN驅動器的NCP1681圖騰柱PFC控制器。頻率較低時(20kHz-60kHz)，可以使用硅超級結MOSFET或IGBT。在較高功率水平下，一個關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（Si或SiC MOSFET）。
圖3.升壓PFC拓撲
2. 圖騰柱PFC：
圖騰柱PFC拓撲（圖4）消除了傳統的橋式整流器，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、柵極驅動器以及專用圖騰柱PFC控制器（如NCP1681B）。
圖4.圖騰柱PFC拓撲
圖騰柱PFC的高頻橋臂需要一個低反向恢復時間的功率開關，因此SiC和GaN器件是理想選擇。安森美建議，600W至1.2kW的應用采用集成GaN驅動器，1.5kW至6.6kW的應用采用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)硅超級結MOSFET或低VCE(SAT)IGBT 適用于低頻橋臂。
針對較高的功率(4.0kW-6.6kW)，請考慮交錯式圖騰柱PFC配置。安森美的650V EliteSiC MOSFET，例如適合3kW應用的NTH4L032N065M3S和NTH4L023N065M3S，以及適合6.6kW應用的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提供了一個基于SiC的3kW圖騰柱PFC和LLC電源的實例。（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
