掌握拓扑选择：优化电池供电设备设计

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随着技术的不断进步，我们如今能够研发出比以往更紧凑、功率更大、使用寿命更长且充电速度更快的电池。

在道路上，由电池驱动的车辆数量日益增多。在家庭中，从手持电动工具到割草机，各类设备都已实现无线化。在建筑领域，锤钻、冲击扳手、圆锯、射钉枪等设备也都依靠电池供电。在仓库里，叉车、托盘搬运车、自动引导车辆（AGV）等物料搬运设备，都因电池性能的提升而获益匪浅。

随着电池供电设备变得越来越普及，快速充电对于提升此类设备的便利性至关重要。本文讨论了设计高效电池充电系统时必须考虑的标准，介绍了较为常用的拓扑，并阐述了安森美（onsemi）的功率半导体如何助力实现高性能方案。

1   电池充电系统

电池充电系统适用于多种类型的化学电池，包括铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池。目前，大多数电池供电设备采用12V至120V的锂离子或磷酸锂电池。电池充电器必须根据应用的要求和工作环境进行设计。对于手持式电动工具而言，电池充电器必须紧凑轻便，并且能够在无需强制散热的情况下运行。此类小型高效充电器需要高能量密度，这要求充电器必须具备低功率损耗和更小的散热器，而快速充电则需要高频充电器。

在工业应用中，充电器必须坚固耐用，能够承受恶劣的室内外环境，并且可能需要由120-277V交流电源，甚至480V交流电源来供电。

因此，设计人员必须为其最终应用谨慎选择最佳拓扑，并优化器件选择，以满足性价比要求。

2   电池充电拓扑

图1显示了典型电池充电系统的框图。在前端，来自市电的输入电压经滤波后，通过功率因数校正（PFC）电路转换为直流电压。该系统的第二级由DC-DC转换和恒压/ 恒流控制功能组成，用以提供所需的充电输出。

许多设计利用微控制器对充电器进行编程，以提供不同的电池电压和电流能力。

3   为应用选择最佳拓扑

接下来，我们将分析几种电路拓扑，并讨论它们在不同电池供电应用中的适用性。

3.1 PFC拓扑

连续导通模式升压拓扑（图2）是最简单且成本最低的PFC拓扑，它由输入EMI滤波器、桥式整流器、升压电感器、升压FET 和升压二极管组成。

使用固定频率平均模式控制器，例如安森美的NCP1654和NCP1655 CCM PFC控制器，可以实现更高的PFC和更低的总谐波失真（THD）水平。这些器件极大地简化了PFC的实现，有效减少了外部元件的数量，同时集成了输入功率失控箝位电路等多种安全特性。

对于更高功率的应用，安森美的FAN9672和FAN 9673 PFC控制器是不错的选择。碳化硅（SiC）在充电应用中具有显著优势，包括低开关损耗和高工作频率。因此，在PFC设计中建议使用SiC升压二极管。在2kW至6.6kW的高功率应用中，输入桥的损耗明显更高，通过用Si MOSFET 或SiC MOSFET等有源开关代替二极管，可以降低这些损耗。

其他常见的拓扑包括半无桥PFC 和图腾柱PFC（TPFC），它们消除了桥式整流器，并且损耗更低。TPFC（图3）由EMI滤波器、升压电感器、高频半桥、低频半桥、双通道栅极驱动器和固定频率TPFC控制器组成。

TPFC电路的高频桥臂要求功率开关中集成具有低反向恢复时间的二极管，SiC和GaN功率开关均适合此级。安森美建议，对于600W至1.2kW的功率水平，使用集成栅极驱动器的GaN，而对于1.5kW至6.6kW的应用，则使用SiC FET。集成SiC二极管的IGBT可用于20-40KHz的较高频率应用。电路的低频桥臂可以使用低RDS(on)超级结MOSFET或低VCE(SAT)IGBT。对于更高功率（4.0 kW 至6.6 kW）的应用，设计人员应考虑采用交错式TPFC拓扑。

安森美650V EliteSiC MOSFET为TPFC设计的高频桥臂提供了一系列选择。对于3.0kW应用，可以考虑使用NTH4L032N65M3S。对于高达6.6kW的应用，NTH4L015N65M2和NTH4L023N065M3S是不错的选择。对于TPFC电路的低频桥臂，NTHL017N60S5器件是一个合适的选择。

3.2 隔离式DC-DC转换器

对于隔离式DC-DC转换，根据应用的功率水平，可以采用多种不同的拓扑。

带有次级侧同步桥式整流器的半桥LLC 拓扑（图4）非常适合600 W 至3.0 kW 的充电器应用。根据功率水平的不同，可以使用GAN功率开关（NCP58921，600W至1.0kW）或SiC MOSFET（2kW和3.0kW）。对于更高功率水平（4.0 kW 至6.6 kW）的应用，设计人员应考虑采用全桥LLC（图5）或交错式LLC拓扑。

设计人员可以选择将NTBL032N65M3S或NTBL023N065M3S EliteSiC MOSFET用于初级侧半桥，而对于次级侧同步整流器，可以选用80-50 V PowerTrench® MOSFET（例如NTBL0D8N08X 和NTBL4D0N15MC）。

乘坐式割草机、叉车和电动自行车等应用可能需要功率水平介于6.6 kW至11.0 kW之间的双有源桥（DAB）充电解决方案。双有源桥拓扑（图6）适用于6.0kW至30.0kW的应用，并且可以将多个6.0kW充电器并联使用来支持12.0kW至30kW的应用。

根据应用的具体要求，设计人员可以采用不同形式的双有源桥拓扑。对于采用120-347V单相交流输入电压的工业充电器，可以使用单级双有源桥拓扑（图7），而对于功率水平在4.0kW至11.0kW的应用，则需要采用三相双有源桥，其初级拓扑中使用双向交流开关，次级拓扑中使用全桥。

安森美的产品组合中包括适用于双向开关应用的650-750 V Elite SiC MOSFET和iGaN HEMT器件。NTBL032N65M3S 和NTBL023N65M3S EliteSiCMOSFET建议用于初级双向开关，iGaN技术同样也适用。

4   优化拓扑和器件选择

电动工具和设备的便捷性取决于电池能否实现快速高效充电。电池充电解决方案的设计人员必须考虑所需的功率水平和工作电压，精心选择最佳的拓扑。此外，设计人员为设计选择的器件必须能够满足应用的性能要求。

安森美的产品组合涵盖广泛的低压、中压和高压功率分立器件，其中包括二极管、MOSFET、IGBT 等硅基器件。基于SiC 的开关器件正日益受到青睐，因为它们具有更快的开关速度和出色的低损耗运行特性，从而能够在不牺牲性能的情况下提高功率密度。 借助安森美的芯片和封装技术，安森美的功率器件具有出色的质量和稳健性，能够帮助您超越设计目标。