工業(yè)充電器拓撲結(jié)構(gòu)選型基礎(chǔ)知識：隔離式DC-DC功率級的選擇

碳化硅（SiC）功率開關(guān)器件正成為工業(yè)電池領(lǐng)域一種廣受歡迎的選擇，因其能夠?qū)崿F(xiàn)更快的開關(guān)速度和更優(yōu)異的低損耗工作，從而在不妥協(xié)性能的前提下提高功率密度。此外，SiC還支持 IGBT技術(shù)無法實現(xiàn)的新型功率因數(shù)拓撲結(jié)構(gòu)。本文將介紹隔離式DC-DC功率級選擇。

隔離式DC-DC功率級的選擇

對于隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換，可以根據(jù)應用的功率等級來選擇多種不同的拓撲結(jié)構(gòu)。

■  半橋LLC拓撲

采用次級端全橋同步整流的半橋LLC拓撲結(jié)構(gòu)非常適合600W至3.0kW的充電器應用。iGaN功率開關(guān)適用于600W至1.0kW的充電器，而SiC MOSFET則適用于1.2kW至3.0kW的應用。

對于4.0kW至6.6kW的應用，可選用全橋LLC拓撲或交錯式LLC拓撲；雙有源橋則適用于6.0kW至30.0kW的應用。通過并聯(lián)多個6.0kW充電器，可實現(xiàn)12.0kW至30kW的功率輸出。

圖1 半橋LLC隔離型LLC拓撲

NTH4L045N065SC1 或 NTBL032N065M3S 650 V EliteSiC MOSFET 適用于初級端半橋電路，80 ? 150 V 的 Si MOSFET 則適用于次級端同步整流應用。NTBLS0D8N08X 和 NTBLS4D0N15MC 是適用于 48 V 及 80 V ? 120 V 電池充電器應用的Si MOSFET。

■   全橋LLC拓撲

全橋LLC拓撲由兩個半橋（S1?S2 和 S3?S4）組成，包含變壓器初級繞組Lm和諧振LC網(wǎng)絡。

全橋電路中對角線布局的SiC MOSFET由相同的柵極驅(qū)動信號驅(qū)動。次級端全橋LLC拓撲由兩個半橋（S5?S6 和 S7?S8）組成，使用的是同步整流Si MOSFET。雙向Si MOSFET開關(guān)S9?S10提供了電壓倍增功能，可實現(xiàn)40 V至120 V的寬電壓輸出。對于40 V ? 120 V的寬電壓范圍電池充電器應用，初級端采用全橋LLC拓撲、次級端采用帶雙向開關(guān)電壓倍增器同步全橋電路拓撲是合適的方案（如圖 2所示）。

圖2 帶次級電壓倍增器電路的全橋LLC拓撲

圖 3 所示，帶有 2個變壓器及2個次級全橋同步整流電路的全橋 LLC 拓撲，適用于 4.0 kW 至 6.6 kW 的應用。

圖3 帶有2個變壓器和2個全橋同步整流器的全橋LLC拓撲

■   交錯式三相LLC拓撲

對于 6.6 kW - 12.0 kW 的大功率應用，建議采用交錯式 LLC 拓撲，將功率損耗分散到多個開關(guān)和變壓器中。

三相交錯式 LLC 由 3 個半橋（S1-S2、S3-S4 和 S5-S6）、3 個諧振 LC 電路、3 個帶勵磁電感的變壓器組成，次級端采用3 個帶諧振 LC 網(wǎng)絡的半橋（S7-S8、S9-S10 和 S11-S12）組成，以實現(xiàn)雙向操作。初級端3組半橋電路以諧振開關(guān)頻率工作，彼此保持120度相位差。此三相交錯式LLC拓撲可產(chǎn)生三倍開關(guān)頻率的輸出紋波，并顯著減小濾波電容尺寸。

圖 4 所示的交錯式三相 LLC 拓撲適用于 6.6 kW - 12 kW的充電器應用。

圖4 交錯式三相LLC拓撲

■   雙有源橋

如圖 5 所示的雙有源橋適用于大功率充電器應用，例如為騎乘式割草機、叉車和電動摩托車供電。雙有源橋適用于6.6 kW至11.0 kW的工業(yè)充電器應用。

圖5 雙有源橋拓撲

單級拓撲結(jié)構(gòu)適用于輸入電壓為 120 - 347 V 單相AC輸入的工業(yè)充電器應用。 圖 6 所示，初級端帶有雙向AC開關(guān)的雙有源橋適用于 4.0 kW至11.0 kW的工業(yè)充電器應用。

圖6 單級雙有源橋轉(zhuǎn)換器

650 - 750 V SiC MOSFET 和 GaN HEMT 適用于雙向開關(guān)應用。 NTBL032N065M3S 和 NTBL023N065M3S 650 V M3S EliteSiC MOSFET 推薦用于初級端雙向開關(guān)。通過將2個裸芯集成到 TOLL 或 TOLT 封裝中，以實現(xiàn)雙向開關(guān)。 GaN 技術(shù)同樣適用于雙向開關(guān)應用。

如圖 7 所示，另一種值得關(guān)注的單級拓撲結(jié)構(gòu)是帶有集成式全橋隔離 LLC DC-DC轉(zhuǎn)換器的交錯式圖騰柱 PFC。

圖7 單級交錯式圖騰柱PFC + LLC級