【導讀】隨(sui)著(zhe)電(dian)池(chi)供(gong)電(dian)設(she)備(bei)變(bian)得(de)越(yue)來(lai)越(yue)普(pu)及(ji)
，快(kuai)速(su)充(chong)電(dian)對(dui)於(yu)提(ti)升(sheng)此(ci)類(lei)設(she)備(bei)的(de)便(bian)利(li)性(xing)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)。本(ben)文(wen)討(tao)論(lun)了(le)設(she)計(ji)高(gao)效(xiao)電(dian)池(chi)充(chong)電(dian)係(xi)統(tong)時(shi)必(bi)須(xu)考(kao)慮(lv)的(de)標(biao)準(zhun)，介(jie)紹(shao)了(le)較(jiao)為(wei)常(chang)用(yong)的(de)拓(tuo)撲(pu)，並(bing)闡(chan)述(shu)了(le)安(an)森(sen)美(mei) (onsemi) 的功率半導體如何助力實現高性能方案。

隨著技術的不斷進步
，我們如今能夠研發出比以往更緊湊

、功率更大、使用壽命更長且充電速度更快的電池。

在道路上，由電池驅動的車輛數量日益增多。在家庭中，從手持電動工具到割草機，各類設備都已實現無線化。在建築領域，錘鑽、衝擊扳手
、圓鋸、射釘槍等設備也都依靠電池供電。在倉庫裏

，叉車、托盤搬運車、自動引導車輛 (AGV) 等物料搬運設備
，都因電池性能的提升而獲益匪淺。

隨(sui)著(zhe)電(dian)池(chi)供(gong)電(dian)設(she)備(bei)變(bian)得(de)越(yue)來(lai)越(yue)普(pu)及(ji)，快(kuai)速(su)充(chong)電(dian)對(dui)於(yu)提(ti)升(sheng)此(ci)類(lei)設(she)備(bei)的(de)便(bian)利(li)性(xing)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)。本(ben)文(wen)討(tao)論(lun)了(le)設(she)計(ji)高(gao)效(xiao)電(dian)池(chi)充(chong)電(dian)係(xi)統(tong)時(shi)必(bi)須(xu)考(kao)慮(lv)的(de)標(biao)準(zhun)，介(jie)紹(shao)了(le)較(jiao)為(wei)常(chang)用(yong)的(de)拓(tuo)撲(pu)，並(bing)闡(chan)述(shu)了(le)安(an)森(sen)美(mei) (onsemi) 的功率半導體如何助力實現高性能方案。

電池充電係統

電池充電係統適用於多種類型的化學電池，包括鉛酸電池、鎳氫電池和鋰離子電池。目前，大多數電池供電設備采用 12V 至 120V 的(de)鋰(li)離(li)子(zi)或(huo)磷(lin)酸(suan)鋰(li)電(dian)池(chi)。電(dian)池(chi)充(chong)電(dian)器(qi)必(bi)須(xu)根(gen)據(ju)應(ying)用(yong)的(de)要(yao)求(qiu)和(he)工(gong)作(zuo)環(huan)境(jing)進(jin)行(xing)設(she)計(ji)。對(dui)於(yu)手(shou)持(chi)式(shi)電(dian)動(dong)工(gong)具(ju)而(er)言(yan)
，電(dian)池(chi)充(chong)電(dian)器(qi)必(bi)須(xu)緊(jin)湊(cou)輕(qing)便(bian)
，並(bing)且(qie)能(neng)夠(gou)在(zai)無(wu)需(xu)強(qiang)製(zhi)散(san)熱(re)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)運(yun)行(xing)。此(ci)類(lei)小(xiao)型(xing)高(gao)效(xiao)充(chong)電(dian)器(qi)需(xu)要(yao)高(gao)能(neng)量(liang)密(mi)度(du)
，這(zhe)要(yao)求(qiu)充(chong)電(dian)器(qi)必(bi)須(xu)具(ju)備(bei)低(di)功(gong)率(lv)損(sun)耗(hao)和(he)更(geng)小(xiao)的(de)散(san)熱(re)器(qi)，而(er)快(kuai)速(su)充(chong)電(dian)則(ze)需(xu)要(yao)高(gao)頻(pin)充(chong)電(dian)器(qi)。

在工業應用中，充電器必須堅固耐用，能夠承受惡劣的室內外環境，並且可能需要由 120-277 V 交流電源，甚至 480V 交流電源來供電。

因此
，設計人員必須為其最終應用謹慎選擇最佳拓撲
，並優化器件選擇，以滿足性價比要求。

電池充電拓撲

圖 1 顯示了典型電池充電係統的框圖。在前端，來自市電的輸入電壓經濾波後，通過功率因數校正 (PFC) 電路轉換為直流電壓。該係統的第二級由 DC-DC 轉換和恒壓/恒流控製功能組成
，用以提供所需的充電輸出。

圖 1：典型電池充電係統框圖

許多設計利用微控製器對充電器進行編程，以提供不同的電池電壓和電流能力。

為應用選擇最佳拓撲

接下來，我們將分析幾種電路拓撲，並討論它們在不同電池供電應用中的適用性。

1.PFC 拓撲

連續導通模式升壓拓撲（圖 2）是最簡單且成本最低的 PFC 拓撲，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：連續導通模式升壓拓撲

使用固定頻率平均模式控製器
，例如安森美的 NCP1654 和 NCP1655 CCM PFC 控製器，可以實現更高的 PFC 和更低的總諧波失真 (THD) 水平。這些器件極大地簡化了 PFC 的實現
，有效減少了外部元件的數量，同時集成了輸入功率失控箝位電路等多種安全特性。

對於更高功率的應用，安森美的 FAN9672 和 FAN9673 PFC 控製器是不錯的選擇。碳化矽 (SiC) 在充電應用中具有顯著優勢，包括低開關損耗和高工作頻率。因此
，在 PFC 設計中建議使用 SiC 升壓二極管。在 2KW 至 6.6KW 的高功率應用中
，輸入橋的損耗明顯更高

，通過用 Si MOSFET 或 SiC MOSFET 等有源開關代替二極管，可以降低這些損耗。

其他常見的拓撲包括半無橋 PFC 和圖騰柱 PFC (TPFC)
，它們消除了橋式整流器，並且損耗更低。TPFC（圖 3）由 EMI 濾波器、升壓電感器、高頻半橋
、低頻半橋
、雙通道柵極驅動器和固定頻率 TPFC 控製器組成。

圖 3：圖騰柱 PFC 拓撲

TPFC 電路的高頻橋臂要求功率開關中集成具有低反向恢複時間的二極管，SiC 和 GaN 功率開關均適合此級。安森美建議，對於 600W 至 1.2KW 的功率水平，使用集成柵極驅動器的 GaN
，而對於 1.5KW 至 6.6KW 的應用
，則使用 SiC FET。集成 SiC 二極管的 IGBT 可用於 20-40KHz 的較高頻率應用。電路的低頻橋臂可以使用低 RDS(on) 超級結 MOSFET 或低 VCE(SAT) IGBT。對於更高功率（4.0 KW 至 6.6KW）的應用
，設計人員應考慮采用交錯式 TPFC 拓撲。

安森美 650V EliteSiC MOSFET 為 TPFC 設計的高頻橋臂提供了一係列選擇。對於 3.0kW 應用，可以考慮使用 NTH4L032N65M3S。對於高達 6.6kW 的應用，NTH4L015N65M2 和 NTH4L023N065M3S 是不錯的選擇。對於 TPFC 電路的低頻橋臂，NTHL017N60S5 器件是一個合適的選擇。

2.隔離式 DC-DC 轉換器

對於隔離式 DC-DC 轉換，根據應用的功率水平
，可以采用多種不同的拓撲。

帶有次級側同步橋式整流器的半橋 LLC 拓撲（圖 4）非常適合 600W 至 3.0KW 的充電器應用。根據功率水平的不同，可以使用 GAN 功率開關（NCP58921

，600W 至 1.0KW）或 SiC MOSFET（2KW 和 3.0KW）。對於更高功率水平（4.0KW 至 6.6KW）的應用，設計人員應考慮采用全橋 LLC（圖 5）或交錯式 LLC 拓撲。

圖 4：集成 Lr 的半橋 LLC

設計人員可以選擇將 NTBL032N65M3S 或 NTBL023N065M3S EliteSiC MOSFET 用於初級側半橋，而對於次級側同步整流器
，可以選用 80-50V PowerTrench® MOSFET（例如 NTBL0D8N08X 和 NTBL4D0N15MC）。

圖 5：帶有次級電壓倍增電路的全橋 LLC 拓撲

乘坐式割草機
、叉車和電動自行車等應用可能需要功率水平介於 6.6KW 至 11.0KW 之間的雙有源橋 (DAB) 充電解決方案。雙有源橋拓撲（圖 6）適用於 6.0KW 至 30.0KW 的應用
，並且可以將多個 6.0KW 充電器並聯使用來支持 12.0KW 至 30KW 的應用。

圖 6：雙有源橋技術

根據應用的具體要求，設計人員可以采用不同形式的雙有源橋拓撲。對於采用 120-347V 單相交流輸入電壓的工業充電器
，可以使用單級雙有源橋拓撲（圖 7），而對於功率水平在 4.0KW 至 11.0KW 的應用，則需要采用三相雙有源橋
，其初級拓撲中使用雙向交流開關，次級拓撲中使用全橋。

圖 7：單級雙有源橋轉換器

安森美的產品組合中包括適用於雙向開關應用的 650-750V Elite SiC MOSFET 和 iGaN HEMT 器件。NTBL032N65M3S 和 NTBL023N65M3S EliteSiC MOSFET 建議用於初級雙向開關，iGaN 技術同樣也適用。

優化拓撲和器件選擇

電(dian)動(dong)工(gong)具(ju)和(he)設(she)備(bei)的(de)便(bian)捷(jie)性(xing)取(qu)決(jue)於(yu)電(dian)池(chi)能(neng)否(fou)實(shi)現(xian)快(kuai)速(su)高(gao)效(xiao)充(chong)電(dian)。電(dian)池(chi)充(chong)電(dian)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)的(de)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)必(bi)須(xu)考(kao)慮(lv)所(suo)需(xu)的(de)功(gong)率(lv)水(shui)平(ping)和(he)工(gong)作(zuo)電(dian)壓(ya)，精(jing)心(xin)選(xuan)擇(ze)最(zui)佳(jia)的(de)拓(tuo)撲(pu)。此(ci)外(wai)
，設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)為(wei)設(she)計(ji)選(xuan)擇(ze)的(de)器(qi)件(jian)必(bi)須(xu)能(neng)夠(gou)滿(man)足(zu)應(ying)用(yong)的(de)性(xing)能(neng)要(yao)求(qiu)。

安森美的產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 等矽基器件。基於 SiC 的開關器件正日益受到青睞，因為它們具有更快的開關速度和出色的低損耗運行特性，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，安森美的功率器件具有出色的質量和穩健性
，能夠幫助您超越設計目標。

(作者：Prasad Paruchuri，安森美技術營銷部 )

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