掌握拓?fù)溥x擇：優(yōu)化電池供電設(shè)備設(shè)計(jì)

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，我們?nèi)缃衲軌蜓邪l(fā)出比以往更緊湊、功率更大、使用壽命更長且充電速度更快的電池。

在道路上，由電池驅(qū)動的車輛數(shù)量日益增多。在家庭中，從手持電動工具到割草機(jī)，各類設(shè)備都已實(shí)現(xiàn)無線化。在建筑領(lǐng)域，錘鉆、沖擊扳手、圓鋸、射釘槍等設(shè)備也都依靠電池供電。在倉庫里，叉車、托盤搬運(yùn)車、自動引導(dǎo)車輛（AGV）等物料搬運(yùn)設(shè)備，都因電池性能的提升而獲益匪淺。

隨著電池供電設(shè)備變得越來越普及，快速充電對于提升此類設(shè)備的便利性至關(guān)重要。本文討論了設(shè)計(jì)高效電池充電系統(tǒng)時必須考慮的標(biāo)準(zhǔn)，介紹了較為常用的拓?fù)?，并闡述了安森美（onsemi）的功率半導(dǎo)體如何助力實(shí)現(xiàn)高性能方案。

1   電池充電系統(tǒng)

電池充電系統(tǒng)適用于多種類型的化學(xué)電池，包括鉛酸電池、鎳氫電池和鋰離子電池。目前，大多數(shù)電池供電設(shè)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(jù)應(yīng)用的要求和工作環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)。對于手持式電動工具而言，電池充電器必須緊湊輕便，并且能夠在無需強(qiáng)制散熱的情況下運(yùn)行。此類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(yīng)用中，充電器必須堅(jiān)固耐用，能夠承受惡劣的室內(nèi)外環(huán)境，并且可能需要由120-277V交流電源，甚至480V交流電源來供電。

因此，設(shè)計(jì)人員必須為其最終應(yīng)用謹(jǐn)慎選擇最佳拓?fù)?，并?yōu)化器件選擇，以滿足性價比要求。

2   電池充電拓?fù)?/strong>

圖1顯示了典型電池充電系統(tǒng)的框圖。在前端，來自市電的輸入電壓經(jīng)濾波后，通過功率因數(shù)校正（PFC）電路轉(zhuǎn)換為直流電壓。該系統(tǒng)的第二級由DC-DC轉(zhuǎn)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(tǒng)框圖

許多設(shè)計(jì)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(yīng)用選擇最佳拓?fù)?/strong>

接下來，我們將分析幾種電路拓?fù)?，并討論它們在不同電池供電?yīng)用中的適用性。

3.1 PFC拓?fù)?/strong>

連續(xù)導(dǎo)通模式升壓拓?fù)洌▓D2）是最簡單且成本最低的PFC拓?fù)?，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(xù)導(dǎo)通模式升壓拓?fù)?/em>

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(xiàn)更高的PFC和更低的總諧波失真（THD）水平。這些器件極大地簡化了PFC的實(shí)現(xiàn)，有效減少了外部元件的數(shù)量，同時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(yīng)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(yīng)用中具有顯著優(yōu)勢，包括低開關(guān)損耗和高工作頻率。因此，在PFC設(shè)計(jì)中建議使用SiC升壓二極管。在2kW至6.6kW的高功率應(yīng)用中，輸入橋的損耗明顯更高，通過用Si MOSFET 或SiC MOSFET等有源開關(guān)代替二極管，可以降低這些損耗。

其他常見的拓?fù)浒ò霟o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(qū)動器和固定頻率TPFC控制器組成。

圖3 圖騰柱PFC拓?fù)?/em>

TPFC電路的高頻橋臂要求功率開關(guān)中集成具有低反向恢復(fù)時間的二極管，SiC和GaN功率開關(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(qū)動器的GaN，而對于1.5kW至6.6kW的應(yīng)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(yīng)用。電路的低頻橋臂可以使用低R_DS(on)超級結(jié)MOSFET或低VCE(SAT)IGBT。對于更高功率（4.0 kW 至6.6 kW）的應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮采用交錯式TPFC拓?fù)洹?/p>

安森美650V EliteSiC MOSFET為TPFC設(shè)計(jì)的高頻橋臂提供了一系列選擇。對于3.0kW應(yīng)用，可以考慮使用NTH4L032N65M3S。對于高達(dá)6.6kW的應(yīng)用，NTH4L015N65M2和NTH4L023N065M3S是不錯的選擇。對于TPFC電路的低頻橋臂，NTHL017N60S5器件是一個合適的選擇。

3.2 隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器

對于隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換，根據(jù)應(yīng)用的功率水平，可以采用多種不同的拓?fù)洹?/p>

帶有次級側(cè)同步橋式整流器的半橋LLC 拓?fù)洌▓D4）非常適合600 W 至3.0 kW 的充電器應(yīng)用。根據(jù)功率水平的不同，可以使用GAN功率開關(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(yīng)用，設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮采用全橋LLC（圖5）或交錯式LLC拓?fù)洹?/p>

圖4 集成Lr的半橋LLC

設(shè)計(jì)人員可以選擇將NTBL032N65M3S或NTBL023N065M3S EliteSiC MOSFET用于初級側(cè)半橋，而對于次級側(cè)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?fù)?/em>

乘坐式割草機(jī)、叉車和電動自行車等應(yīng)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?fù)洌▓D6）適用于6.0kW至30.0kW的應(yīng)用，并且可以將多個6.0kW充電器并聯(lián)使用來支持12.0kW至30kW的應(yīng)用。

圖6 雙有源橋技術(shù)

根據(jù)應(yīng)用的具體要求，設(shè)計(jì)人員可以采用不同形式的雙有源橋拓?fù)?。對于采?20-347V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?fù)洌▓D7），而對于功率水平在4.0kW至11.0kW的應(yīng)用，則需要采用三相雙有源橋，其初級拓?fù)渲惺褂秒p向交流開關(guān)，次級拓?fù)渲惺褂萌珮颉?/p>

圖7 單級雙有源橋轉(zhuǎn)換器

安森美的產(chǎn)品組合中包括適用于雙向開關(guān)應(yīng)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關(guān)，iGaN技術(shù)同樣也適用。

4   優(yōu)化拓?fù)浜推骷x擇

電動工具和設(shè)備的便捷性取決于電池能否實(shí)現(xiàn)快速高效充電。電池充電解決方案的設(shè)計(jì)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?fù)?。此外，設(shè)計(jì)人員為設(shè)計(jì)選擇的器件必須能夠滿足應(yīng)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 的開關(guān)器件正日益受到青睞，因?yàn)樗鼈兙哂懈斓拈_關(guān)速度和出色的低損耗運(yùn)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(wěn)健性，能夠幫助您超越設(shè)計(jì)目標(biāo)。

（本文來源于《EEPW》202504）