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Mastering Topology Selection: Optimizing Battery-Powered Equipment Design 作者：Prasad Paruchuri，安森美技術(shù)營(yíng)銷(xiāo)部 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(zhǎng)且充電速度更快的電池。 在道路上，由電池驅(qū)動(dòng)的車(chē)輛數(shù)量日益增多。在家庭中，從手持電動(dòng)工具到割草機(jī)，各類(lèi)設(shè)備都已實(shí)現(xiàn)無(wú)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(cāng)庫(kù)里，叉車(chē)、托盤(pán)搬運(yùn)車(chē)、自動(dòng)引導(dǎo)車(chē)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(lái)越普及，快速充電對(duì)于提升此類(lèi)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(shí)必須考慮的標(biāo)準(zhǔn)，介紹了較為常用的拓?fù)洌㈥U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。 電池充電系統(tǒng) 電池充電系統(tǒng)適用于多種類(lèi)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(duì)于手持式電動(dòng)工具而言，電池充電器必須緊湊輕便，并且能夠在無(wú)需強(qiáng)制散熱的情況下運(yùn)行。此類(lèi)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 120-277 V 交流電源，甚至 480V 交流電源來(lái)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)洌?yōu)化器件選擇，以滿足性價(jià)比要求。 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(lái)自市電的輸入電壓經(jīng)濾波后，通過(guò)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(jí)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(duì)充電器進(jìn)行編程，以提供不同的電池電壓和電流能力。 為應(yīng)用選擇最佳拓?fù)?br /> 接下來(lái)，我們將分析幾種電路拓?fù)洌⒂懻撍鼈冊(cè)诓煌姵毓╇姂?yīng)用中的適用性。 1. PFC 拓?fù)?br /> 連續(xù)導(dǎo)通模式升壓拓?fù)洌▓D 2）是最簡(jiǎn)單且成本最低的 PFC 拓?fù)洌奢斎?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)?br /> 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(jiǎn)化了 PFC 的實(shí)現(xiàn)，有效減少了外部元件的數(shù)量，同時(shí)集成了輸入功率失控箝位電路等多種安全特性。 對(duì)于更高功率的應(yīng)用，安森美的 FAN9672 和 FAN9673 PFC 控制器是不錯(cuò)的選擇。碳化硅 (SiC) 在充電應(yīng)用中具有顯著優(yōu)勢(shì)，包括低開(kāi)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(guò)用 Si MOSFET 或 SiC MOSFET 等有源開(kāi)關(guān)代替二極管，可以降低這些損耗。 其他常見(jiàn)的拓?fù)浒ò霟o(wú)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(dòng)器和固定頻率 TPFC 控制器組成。
圖 3：圖騰柱 PFC 拓?fù)?br /> TPFC 電路的高頻橋臂要求功率開(kāi)關(guān)中集成具有低反向恢復(fù)時(shí)間的二極管，SiC 和 GaN 功率開(kāi)關(guān)均適合此級(jí)。安森美建議，對(duì)于 600W 至 1.2KW 的功率水平，使用集成柵極驅(qū)動(dòng)器的 GaN，而對(duì)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 RDS(on) 超級(jí)結(jié) MOSFET 或低 VCE(SAT) IGBT。對(duì)于更高功率（4.0 KW 至 6.6KW）的應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮采用交錯(cuò)式 TPFC 拓?fù)洹?br /> 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(duì)于 3.0kW 應(yīng)用，可以考慮使用 NTH4L032N65M3S。對(duì)于高達(dá) 6.6kW 的應(yīng)用，NTH4L015N65M2 和 NTH4L023N065M3S 是不錯(cuò)的選擇。對(duì)于 TPFC 電路的低頻橋臂，NTHL017N60S5 器件是一個(gè)合適的選擇。 2. 隔離式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器 對(duì)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?br /> 帶有次級(jí)側(cè)同步橋式整流器的半橋 LLC 拓?fù)洌▓D 4）非常適合 600W 至 3.0KW 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(kāi)關(guān)（NCP58921，600W 至 1.0KW）或 SiC MOSFET（2KW 和 3.0KW）。對(duì)于更高功率水平（4.0KW 至 6.6KW）的應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮采用全橋 LLC（圖 5）或交錯(cuò)式 LLC 拓?fù)洹?br />
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(jí)側(cè)半橋，而對(duì)于次級(jí)側(cè)同步整流器，可以選用 80-50V PowerTrench® MOSFET（例如 NTBL0D8N08X 和 NTBL4D0N15MC）。
圖 5：帶有次級(jí)電壓倍增電路的全橋 LLC 拓?fù)?br /> 乘坐式割草機(jī)、叉車(chē)和電動(dòng)自行車(chē)等應(yīng)用可能需要功率水平介于 6.6KW 至 11.0KW 之間的雙有源橋 (DAB) 充電解決方案。雙有源橋拓?fù)洌▓D 6）適用于 6.0KW 至 30.0KW 的應(yīng)用，并且可以將多個(gè) 6.0KW 充電器并聯(lián)使用來(lái)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)洹?duì)于采用 120-347V 單相交流輸入電壓的工業(yè)充電器，可以使用單級(jí)雙有源橋拓?fù)洌▓D 7），而對(duì)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(jí)拓?fù)渲惺褂秒p向交流開(kāi)關(guān)，次級(jí)拓?fù)渲惺褂萌珮颉?br />
圖 7：?jiǎn)渭?jí)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(kāi)關(guān)應(yīng)用的 650-750V Elite SiC MOSFET 和 iGaN HEMT 器件。NTBL032N65M3S 和 NTBL023N65M3S EliteSiC MOSFET 建議用于初級(jí)雙向開(kāi)關(guān)，iGaN 技術(shù)同樣也適用。 優(yōu)化拓?fù)浜推骷x擇 電動(dòng)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)洹４送猓O(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。基于 SiC 的開(kāi)關(guān)器件正日益受到青睞，因?yàn)樗鼈兙哂懈斓拈_(kāi)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)。 |
