工业电动化浪潮：充电器设计的效率与尺寸挑战

【导读】工业设备加速迈向电动化，对稳健、高效、适应性强的电池充电器需求激增。无论是手持工具还是重型机械，充电器必须应对严苛环境和全球通用电压输入（120-480 Vac），并优先满足小型化、轻量化及被动散热的设计要求。在这一关键任务中，功率因数校正（PFC）级的拓扑选择至关重要，它直接影响着系统效率、尺寸和成本。本文将剖析现代工业充电设计的核心挑战，重点对比传统升压 PFC 与日益流行的图腾柱 PFC 拓扑方案，并探讨碳化硅（SiC）MOSFET 如何颠覆性地赋能高效率解决方案，为工程师提供清晰的设计指导。

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。本文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。

图1.锂离子电池组的典型应用

典型的工业充电器架构包括两个关键电路级：

  ●  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。

  ●  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。

图2.典型电池充电系统框图

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）。

图3.升压PFC拓扑

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4.图腾柱PFC拓扑

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。）

图5.基于SiC的3 kW 图腾柱PFC和LLC电源

为工业电池充电器选择合适的 PFC 拓扑和功率器件是一个多维度决策过程。 图腾柱 PFC 凭借其卓越的效率（尤其在 600W 以上功率段），正迅速成为中高功率应用的首选。碳化硅（SiC）MOSFET 凭借其超低损耗、高频运行能力，是赋能图腾柱方案实现高效、紧凑、被动散热设计的关键推手。 安森美丰富的 EliteSiC 产品组合—— 包括 650V SiC MOSFET、SiC JFET 以及 集成 GaN 驱动器的控制器（NCP1681） —— 为工程师提供了从 600W 直到 6.6kW 级别工业充电应用的全面、高性能器件选择，助力打造面向未来的高效率电源系统。