掌握拓撲選擇：優(yōu)化電池供電設備設計

隨著(zhù)技術(shù)的不斷進(jìn)步，我們如今能夠研發(fā)出比以往更緊湊、功率更大、使用壽命更長(cháng)且充電速度更快的電池。

在道路上，由電池驅動(dòng)的車(chē)輛數量日益增多。在家庭中，從手持電動(dòng)工具到割草機，各類(lèi)設備都已實(shí)現無(wú)線(xiàn)化。在建筑領(lǐng)域，錘鉆、沖擊扳手、圓鋸、射釘槍等設備也都依靠電池供電。在倉庫里，叉車(chē)、托盤(pán)搬運車(chē)、自動(dòng)引導車(chē)輛（AGV）等物料搬運設備，都因電池性能的提升而獲益匪淺。

隨著(zhù)電池供電設備變得越來(lái)越普及，快速充電對于提升此類(lèi)設備的便利性至關(guān)重要。本文討論了設計高效電池充電系統時(shí)必須考慮的標準，介紹了較為常用的拓撲，并闡述了安森美（onsemi）的功率半導體如何助力實(shí)現高性能方案。

1   電池充電系統

電池充電系統適用于多種類(lèi)型的化學(xué)電池，包括鉛酸電池、鎳氫電池和鋰離子電池。目前，大多數電池供電設備采用12V至120V的鋰離子或磷酸鋰電池。電池充電器必須根據應用的要求和工作環(huán)境進(jìn)行設計。對于手持式電動(dòng)工具而言，電池充電器必須緊湊輕便，并且能夠在無(wú)需強制散熱的情況下運行。此類(lèi)小型高效充電器需要高能量密度，這要求充電器必須具備低功率損耗和更小的散熱器，而快速充電則需要高頻充電器。

在工業(yè)應用中，充電器必須堅固耐用，能夠承受惡劣的室內外環(huán)境，并且可能需要由120-277V交流電源，甚至480V交流電源來(lái)供電。

因此，設計人員必須為其最終應用謹慎選擇最佳拓撲，并優(yōu)化器件選擇，以滿(mǎn)足性?xún)r(jià)比要求。

2   電池充電拓撲

圖1顯示了典型電池充電系統的框圖。在前端，來(lái)自市電的輸入電壓經(jīng)濾波后，通過(guò)功率因數校正（PFC）電路轉換為直流電壓。該系統的第二級由DC-DC轉換和恒壓/ 恒流控制功能組成，用以提供所需的充電輸出。

圖1 典型電池充電系統框圖

許多設計利用微控制器對充電器進(jìn)行編程，以提供不同的電池電壓和電流能力。

3   為應用選擇最佳拓撲

接下來(lái)，我們將分析幾種電路拓撲，并討論它們在不同電池供電應用中的適用性。

3.1 PFC拓撲

連續導通模式升壓拓撲（圖2）是最簡(jiǎn)單且成本最低的PFC拓撲，它由輸入EMI濾波器、橋式整流器、升壓電感器、升壓FET 和升壓二極管組成。

圖2 連續導通模式升壓拓撲

使用固定頻率平均模式控制器，例如安森美的NCP1654和NCP1655 CCM PFC控制器，可以實(shí)現更高的PFC和更低的總諧波失真（THD）水平。這些器件極大地簡(jiǎn)化了PFC的實(shí)現，有效減少了外部元件的數量，同時(shí)集成了輸入功率失控箝位電路等多種安全特性。

對于更高功率的應用，安森美的FAN9672和FAN 9673 PFC控制器是不錯的選擇。碳化硅（SiC）在充電應用中具有顯著(zhù)優(yōu)勢，包括低開(kāi)關(guān)損耗和高工作頻率。因此，在PFC設計中建議使用SiC升壓二極管。在2kW至6.6kW的高功率應用中，輸入橋的損耗明顯更高，通過(guò)用Si MOSFET 或SiC MOSFET等有源開(kāi)關(guān)代替二極管，可以降低這些損耗。

其他常見(jiàn)的拓撲包括半無(wú)橋PFC 和圖騰柱PFC（TPFC），它們消除了橋式整流器，并且損耗更低。TPFC（圖3）由EMI濾波器、升壓電感器、高頻半橋、低頻半橋、雙通道柵極驅動(dòng)器和固定頻率TPFC控制器組成。

圖3 圖騰柱PFC拓撲

TPFC電路的高頻橋臂要求功率開(kāi)關(guān)中集成具有低反向恢復時(shí)間的二極管，SiC和GaN功率開(kāi)關(guān)均適合此級。安森美建議，對于600W至1.2kW的功率水平，使用集成柵極驅動(dòng)器的GaN，而對于1.5kW至6.6kW的應用，則使用SiC FET。集成SiC二極管的IGBT可用于20-40KHz的較高頻率應用。電路的低頻橋臂可以使用低R_DS(on)超級結MOSFET或低VCE(SAT)IGBT。對于更高功率（4.0 kW 至6.6 kW）的應用，設計人員應考慮采用交錯式TPFC拓撲。

安森美650V EliteSiC MOSFET為T(mén)PFC設計的高頻橋臂提供了一系列選擇。對于3.0kW應用，可以考慮使用NTH4L032N65M3S。對于高達6.6kW的應用，NTH4L015N65M2和NTH4L023N065M3S是不錯的選擇。對于TPFC電路的低頻橋臂，NTHL017N60S5器件是一個(gè)合適的選擇。

3.2 隔離式DC-DC轉換器

對于隔離式DC-DC轉換，根據應用的功率水平，可以采用多種不同的拓撲。

帶有次級側同步橋式整流器的半橋LLC 拓撲（圖4）非常適合600 W 至3.0 kW 的充電器應用。根據功率水平的不同，可以使用GAN功率開(kāi)關(guān)（NCP58921，600W至1.0kW）或SiC MOSFET（2kW和3.0kW）。對于更高功率水平（4.0 kW 至6.6 kW）的應用，設計人員應考慮采用全橋LLC（圖5）或交錯式LLC拓撲。

圖4 集成Lr的半橋LLC

設計人員可以選擇將NTBL032N65M3S或NTBL023N065M3S EliteSiC MOSFET用于初級側半橋，而對于次級側同步整流器，可以選用80-50 V PowerTrench^? MOSFET（例如NTBL0D8N08X 和NTBL4D0N15MC）。

圖5 帶有次級電壓倍增電路的全橋LLC拓撲

乘坐式割草機、叉車(chē)和電動(dòng)自行車(chē)等應用可能需要功率水平介于6.6 kW至11.0 kW之間的雙有源橋（DAB）充電解決方案。雙有源橋拓撲（圖6）適用于6.0kW至30.0kW的應用，并且可以將多個(gè)6.0kW充電器并聯(lián)使用來(lái)支持12.0kW至30kW的應用。

圖6 雙有源橋技術(shù)

根據應用的具體要求，設計人員可以采用不同形式的雙有源橋拓撲。對于采用120-347V單相交流輸入電壓的工業(yè)充電器，可以使用單級雙有源橋拓撲（圖7），而對于功率水平在4.0kW至11.0kW的應用，則需要采用三相雙有源橋，其初級拓撲中使用雙向交流開(kāi)關(guān)，次級拓撲中使用全橋。

圖7 單級雙有源橋轉換器

安森美的產(chǎn)品組合中包括適用于雙向開(kāi)關(guān)應用的650-750 V Elite SiC MOSFET和iGaN HEMT器件。NTBL032N65M3S 和NTBL023N65M3S EliteSiCMOSFET建議用于初級雙向開(kāi)關(guān)，iGaN技術(shù)同樣也適用。

4   優(yōu)化拓撲和器件選擇

電動(dòng)工具和設備的便捷性取決于電池能否實(shí)現快速高效充電。電池充電解決方案的設計人員必須考慮所需的功率水平和工作電壓，精心選擇最佳的拓撲。此外，設計人員為設計選擇的器件必須能夠滿(mǎn)足應用的性能要求。

安森美的產(chǎn)品組合涵蓋廣泛的低壓、中壓和高壓功率分立器件，其中包括二極管、MOSFET、IGBT 等硅基器件?；赟iC 的開(kāi)關(guān)器件正日益受到青睞，因為它們具有更快的開(kāi)關(guān)速度和出色的低損耗運行特性，從而能夠在不犧牲性能的情況下提高功率密度。 借助安森美的芯片和封裝技術(shù)，安森美的功率器件具有出色的質(zhì)量和穩健性，能夠幫助您超越設計目標。

（本文來(lái)源于《EEPW》202504）