在当今的工业和建筑领域，电池供电设备的应用日益广泛，小到电动工具、割草机，大到叉车、托盘车及自动导引车等物料搬运设备，都离不开电池的支持。这些工业电池充电器系统不仅要具备可靠性和耐用性，能够在恶劣的户外工业环境中稳定运行，还要满足紧凑轻量化设计的要求，并且无需强制冷却。此外，它们可能需要由 120 - 277 伏交流电甚至 480 伏交流电供电。
碳化硅（SiC）功率开关器件凭借其出色的性能，正逐渐成为工业充电器设计中的热门选择。SiC 能够实现更快的开关速度和更低的损耗，在不牺牲性能的前提下显著提高功率密度。而且，SiC 还支持 IGBT 技术无法实现的新型功率因数拓扑结构，为工业充电器的设计带来了更多的可能性。
本白皮书对多种功率拓扑结构进行了深入回顾，包括图腾柱 PFC（totem pole PFC）、半桥 LLC（half bridge LLC）、带同步整流的全桥 LLC（full bridge LLC）谐振拓扑以及双有源桥（Dual Active Bridge）等。同时，还提出了功率因数校正（PFC）级与初级功率级的 SiC MOSFET 选型方案，以及次级同步整流功率级的硅基 MOSFET 选型策略。，详细介绍了安森美（onsemi）650V M3S EliteSiC MOSFET 的优势及其性能特点。本文作为系列文章的篇，将聚焦于工业充电器的简介以及 PFC 级的选型。
工业电池充电器需要为不同类型的电池充电，常见的有铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池等。目前，大多数基于电池的新型工业设备主要使用 12 伏至 120 伏的锂离子电池和磷酸锂电池。
图 1. 锂离子电池组的典型应用
工业充电器通常由 PFC 前端电路与带恒压恒流控制的隔离式 DC - DC 变换级组成。
在许多工业充电器设计中，会使用微控制器对充电器进行编程，以适应不同电池的电压和电流容量。为了实现更快速且高效率的充电，高频充电器成为了。智能电池充电系统能够实时检测电池的电压和容量，并根据恒定电压模式进行充电，同时通过监测电池的电压、电流和温度来动态调节所需的充电电流。SiC MOSFET 具有在高工作频率和高温环境下稳定运行的特性，其开关损耗和导通损耗更低。极低的功率损耗使得电池充电器可以实现高功率密度和高效率，散热片更小，并且能够采用自然对流冷却的方式，大大简化了散热设计。
接下来，我们将对几种常见的拓扑结构进行详细的选型分析，并探讨它们在不同电池供电应用中的适用性。
连续导通模式升压 PFC 是一种简单且低成本的解决方案。升压拓扑主要由输入 EMI 滤波器、桥式整流器、升压电感、升压场效应管和升压二极管组成，具体结构如图 3 所示。
图 3. 升压 PFC 拓扑
定频平均模式控制器可用于实现高功率因数和低总谐波失真（THD），并调节输出电压。在实际应用中，推荐使用安森美 NCP1654 和 NCP1655 CCM PFC 控制器。对于大功率应用，可以采用交错式 PFC 控制器，如 FAN9672 和 FAN9673。升压二极管（D1）推荐使用 650V EliteSiC 二极管，其具有优异的性能，能够有效提高电路的效率。EliteSiC MOSFET 可用于高频和大功率应用，如 2kW 至 6.6kW 的场合。带有 iGaN（集成栅极驱动器）的图腾柱 PFC 控制器 IC（如 NCP1681）可用于 600W 至 1.0kW 的应用。而硅超级结 MOSFET 和 IGBT 则适用于 20kHz 至 60kHz 的低频应用。
在大功率应用中，输入电桥的损耗会明显增加。为了降低功率损耗，可以使用 Si 或 SiC MOSFET 等有源开关取代二极管。半无桥 PFC 和图腾柱 PFC 拓扑因其可以省去桥式整流器，从而减少损耗，在大功率应用中非常流行。
图腾柱 PFC 由 EMI 滤波器、升压电感、高频半桥、低频半桥、2 通道栅极驱动器和定频图腾柱 PFC 控制器 NCP1681B 组成，其结构如图 4 所示。
图 4. 图腾柱 PFC 拓扑
图 5. 基于 SiC 的 3kW 图腾柱 PFC 和 LLC 电源
图腾柱 PFC 的高频支路要求功率开关中集成的二极管具有低反向恢复时间。SiC 和 GaN 功率开关因其出色的性能，非常适合用于图腾柱 PFC 的高频支路。安森美建议在 600W 至 1.2kW 应用中使用带集成栅极驱动器的 iGaN，在 1.5kW 至 6.6kW 应用中使用 SiC MOSFET。集成 SiC 二极管的 IGBT 可用于 20 - 40kHz 的应用。低频支路可使用低 RDS (on) 硅超级结 MOSFET 或低 VCE (SAT) IGBT。交错式图腾柱 PFC 可用于 4.0kW 至 6.6kW 应用。
