在工业电池领域，碳化硅（SiC）功率开关器件正凭借其独特的优势，成为越来越受欢迎的选择。SiC 功率开关器件能够实现更快的开关速度，并且在工作时具有更低的损耗，这使得它在不牺牲性能的前提下，能够显著提高功率密度。此外，SiC 还支持一些 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。
本白皮书不仅回顾了多种功率拓扑结构，还详细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。，着重介绍了安森美（onsemi）650V M3S EliteSiC MOSFET 的优势及其卓越的性能特点。白皮书篇主要介绍了工业充电器简介以及 PFC 级选型，而本篇将聚焦于隔离式 DC - DC 功率级的选择。
对于隔离式 DC - DC 转换，可以根据应用的功率等级来选择多种不同的拓扑结构，以下是几种常见的拓扑结构及其适用场景：
采用次级端全桥同步整流的半桥 LLC 拓扑结构，非常适合 600W 至 3.0kW 的充电器应用。其中，iGaN 功率开关适用于 600W 至 1.0kW 的充电器，而 SiC MOSFET 则更适用于 1.2kW 至 3.0kW 的应用。对于 4.0kW 至 6.6kW 的应用，可以选用全桥 LLC 拓扑或交错式 LLC 拓扑；双有源桥则适用于 6.0kW 至 30.0kW 的应用。通过并联多个 6.0kW 充电器，可实现 12.0kW 至 30kW 的功率输出。
在半桥 LLC 拓扑中，NTH4L045N065SC1 或 NTBL032N065M3S 650V EliteSiC MOSFET 适用于初级端半桥电路，80 - 150V 的 Si MOSFET 则适用于次级端同步整流应用。NTBLS0D8N08X 和 NTBLS4D0N15MC 是适用于 48V 及 80V - 120V 电池充电器应用的 Si MOSFET。
图 1. 半桥 LLC 隔离型 LLC 拓扑
全桥 LLC 拓扑由两个半桥（S1 - S2 和 S3 - S4）组成，包含变压器初级绕组 Lm 和谐振 LC 网络。在全桥电路中，对角线布局的 SiC MOSFET 由相同的栅极驱动信号驱动。次级端全桥 LLC 拓扑由两个半桥（S5 - S6 和 S7 - S8）组成，使用的是同步整流 Si MOSFET。双向 Si MOSFET 开关 S9 - S10 提供了电压倍增功能，可实现 40V 至 120V 的宽电压输出。对于 40V - 120V 的宽电压范围电池充电器应用，初级端采用全桥 LLC 拓扑、次级端采用带双向开关电压倍增器同步全桥电路拓扑是合适的方案。
图 2. 带次级电压倍增器电路的全桥 LLC 拓扑
如图 3 所示，带有 2 个变压器及 2 个次级全桥同步整流电路的全桥 LLC 拓扑，适用于 4.0kW 至 6.6kW 的应用。
图 3. 带有 2 个变压器和 2 个全桥同步整流器的全桥 LLC 拓扑
对于 6.6kW - 12.0kW 的大功率应用，建议采用交错式 LLC 拓扑，这种拓扑可以将功率损耗分散到多个开关和变压器中，从而提高系统的效率和可靠性。
三相交错式 LLC 由 3 个半桥（S1 - S2、S3 - S4 和 S5 - S6）、3 个谐振 LC 电路、3 个带励磁电感的变压器组成，次级端采用 3 个带谐振 LC 网络的半桥（S7 - S8、S9 - S10 和 S11 - S12）组成，以实现双向操作。初级端 3 组半桥电路以谐振开关频率工作，彼此保持 120 度相位差。此三相交错式 LLC 拓扑可产生三倍开关频率的输出纹波，并显著减小滤波电容尺寸。如图 4 所示，这种交错式三相 LLC 拓扑适用于 6.6kW - 12kW 的充电器应用。
图 4. 交错式三相 LLC 拓扑
如图 5 所示的双有源桥适用于大功率充电器应用，例如为骑乘式割草机、叉车和电动摩托车供电。双有源桥适用于 6.6kW 至 11.0kW 的工业充电器应用。
图 5. 双有源桥拓扑
单级拓扑结构适用于输入电压为 120 - 347V 单相 AC 输入的工业充电器应用。如图 6 所示，初级端带有双向 AC 开关的双有源桥适用于 4.0kW 至 11.0kW 的工业充电器应用。650 - 750V SiC MOSFET 和 GaN HEMT 适用于双向开关应用。NTBL032N065M3S 和 NTBL023N065M3S 650V M3S EliteSiC MOSFET 推荐用于初级端双向开关。通过将 2 个裸芯集成到 TOLL 或 TOLT 封装中，以实现双向开关。GaN 技术同样适用于双向开关应用。
图 6. 单级双有源桥转换器
另一种值得关注的单级拓扑结构是带有集成式全桥隔离 LLC DC - DC 转换器的交错式图腾柱 PFC。这种拓扑结构结合了交错式图腾柱 PFC 和 LLC 级的优点，为工业充电器的设计提供了一种新的思路。
本部分内容未完待续，下篇将继续介绍优化拓扑结构与元器件选型等方面的内容。在选择合适的隔离式 DC - DC 功率级拓扑结构时，需要综合考虑应用的功率等级、效率要求、成本等因素，以确保设计出的工业充电器能够满足实际需求。
此外，在工业电源领域还有一些相关的产品和技术值得关注。例如，广州致远电子有限公司近期推出了系列的工业级微功率 DC - DC 电源模块，能够广泛应用于低频模拟电路、大功率 IGBT 驱动、纯数字电路、模拟前端等领域。基于 500mW 隔离式设计中无需单独的隔离式 DC - DC 转换器，如 同时，对于 USB 大功率充电器 DC - DC 转换器的开关噪声问题，也需要采取相应的措施来应对。新的 Wolfspeed WolfPACK 全桥模块专为隔离式 DC - DC 转换器而设计，隔离式 DC - DC 转换器在电动汽车充电器、工业电源、储能系统、电网基础设施、焊接 / 感应加热等许多电源转换应用中都是关键组件。还有基于三相二电平 PFC 和隔离 DC - DC 转换器的 11kW 双向电池充电器，如 STDES - BCBIDIR，它是工业和汽车领域高压充电的完整解决方案，由一个 PFC 和隔离 DC - DC 转换器两个功率级组成。
