【导读】在工业4.0时代，从便携式电动工具到重型AGV（自动导引车），电池供电设备正加速渗透制造业、仓储物流和建筑领域。然而，工业级充电器的设计挑战重重：既要承受严苛环境（如高温、震动、粉尘），又需在120V~480V宽输入电压下保持高效稳定，同时满足轻量化、无风扇散热的需求。碳化硅（SiC）功率器件的崛起，正为这一难题提供破局关键——其超快开关速度和低损耗特性，不仅提升了功率密度，更解锁了传统IGBT难以实现的新型PFC（功率因数校正）拓扑。本文将深入解析工业充电器的PFC级设计策略，助您精准选型。
简介
工业电池充电器需要为不同的电池充电，如铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池。大多数基于电池的新型工业设备主要使用12 伏至120 伏的锂离子电池和磷酸锂电池。
锂离子电池组的典型应用
工业充电器由PFC前端电路与带恒压恒流控制的隔离式DC-DC变换级组成。
典型电池充电系统框图
在许多设计中都会使用微控制器来对充电器进行编程，以适应不同的电池电压和电流容量。为了实现更快速且高效率的充电，需要使用高频充电器。智能电池充电系统能够检测电池的电压和容量，并根据恒定电压模式进行充电，同时通过监测电池的电压、电流和温度来调节所需的充电电流。SiC MOSFET可在高工作频率和高温环境下稳定运行，开关损耗和导通损耗更低。极低的功率损耗使得电池充电器可以实现高功率密度和高效率，散热片更小，并能自然对流冷却。
PFC 级选型
接下来，我们将对这些拓扑结构进行选型分析，并讨论它们在不同电池供电应用中的适用性。
➤升压 PFC拓扑
连续导通模式升压PFC 是一种简单、低成本的解决方案。升压拓扑由输入EMI 滤波器、桥式整流器、升压电感、升压场效应管和升压二极管组成。
升压PFC拓扑
定频平均模式控制器可用于实现高功率因数和低总谐波失真（THD），并调节输出电压。推荐使用安森美NCP1654和 NCP1655CCM PFC 控制器。对于大功率应用，可以使用交错式PFC控制器，如FAN9672和FAN9673。升压二极管(D1) 推荐使用650V EliteSiC 二极管。EliteSiC MOSFET 可用于高频和大功率应用，如2 kW 至6.6 kW。带有iGaN（集成栅极驱动器）的图腾柱PFC 控制器IC（如NCP1681）可用于600 W 至1.0 kW 的应用。硅超级结MOSFET 和IGBT可用于 20 kHz 至 60 kHz 的低频应用。
在大功率应用中，输入电桥损耗明显更高。用Si 或SiC MOSFET 等有源开关取代二极管，可以降低功率损耗。半无桥PFC 和图腾柱PFC 拓扑非常流行，它们可以省去桥式整流器，从而减少损耗。
➤图腾柱PFC
图腾柱PFC 由EMI 滤波器、升压电感、高频半桥、低频半桥、2通道栅极驱动器和定频图腾柱PFC 控制器NCP1681B组成。
腾柱 PFC拓扑
基于 SiC的 3 kW 图腾柱 PFC和 LLC电源
图腾柱 PFC的高频支路要求功率开关中集成的二极管具有低反向恢复时间。SiC和 GaN功率开关适用于图腾柱PFC 的高频支路。安森美建议在600 W 至1.2 kW 应用中使用带集成栅极驱动器的iGaN，在1.5 kW 至6.6 kW 应用中使用SiC MOSFET。集成SiC 二极管的IGBT 可用于20 - 40 kHz 的应用。低频支路可使用低RDS(on) 硅超级结MOSFET 或低VCE(SAT) IGBT。交错式图腾柱PFC 可用于4.0 kW 至6.6 kW 应用。
基于MOSFET的图腾柱PFC级通过去除笨重且损耗大的桥式整流器，提高了效率和功率密度。安森美的650V EliteSiC MOSFET非常适合图腾柱PFC的高频支路。安森美650V EliteSiC MOSFET如NTH4L045N065SC1和NTH4L032N065M3S适合3.0kW的应用；NTH4L015N065SC1和即将上市的NTH4L012N065M3S适合6.6kW的应用。NTHL017N60S5H则适用于图腾柱PFC的低频支路。
