掌握拓扑选择：优化电池供电设备设计

作者：Prasad Paruchuri，安森美技术营销部

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。

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 120-277 V 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。

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。

图 1：典型电池充电系统框图

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。

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。

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。

图 2：连续导通模式升压拓扑

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 FAN9673 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。

图 3：图腾柱 PFC 拓扑

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 6.6KW）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。

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 600W 至 3.0KW 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（4.0KW 至 6.6KW）的应用，设计人员应考虑采用全桥 LLC（图 5）或交错式 LLC 拓扑。

图 4：集成 Lr 的半桥 LLC

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 80-50V PowerTrench® MOSFET（例如 NTBL0D8N08X 和 NTBL4D0N15MC）。

图 5：带有次级电压倍增电路的全桥 LLC 拓扑

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 6.6KW 至 11.0KW 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。

图 6：双有源桥技术

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。

图 7：单级双有源桥转换器

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

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。