工業充電器拓撲結構選型基礎知識：隔離式DC-DC功率級的選擇

本白皮書回顧了多種功率拓撲結構，還提出了功率因數校正（PFC）級與初級功率級的SiC MOSFET選型方案，以及次級同步整流功率級的硅基MOSFET選型策略。最后介紹了安森美（onsemi）650V M3S EliteSiC MOSFET 的優勢及其性能特點。

白皮書第一篇介紹了工業充電器簡介、PFC 級選型，第二篇將介紹隔離式DC-DC功率級選擇。

對于隔離式DC-DC轉換，可以根據應用的功率等級來選擇多種不同的拓撲結構。

? 半橋 LLC 拓撲

采用次級端全橋同步整流的半橋LLC拓撲結構非常適合600W至3.0kW的充電器應用。iGaN功率開關適用于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。通過并聯多個6.0kW充電器，可實現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網絡。

全橋電路中對角線布局的SiC MOSFET由相同的柵極驅動信號驅動。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S9?S10提供了電壓倍增功能，可實現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 網絡的半橋（S7-S8、S9-S10 和 S11-S12）組成，以實現雙向操作。初級端3組半橋電路以諧振開關頻率工作，彼此保持120度相位差。此三相交錯式LLC拓撲可產生三倍開關頻率的輸出紋波，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的工業充電器應用。

圖 5. 雙有源橋拓撲

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

圖 6. 單級雙有源橋轉換器

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

如圖 7 所示，另一種值得關注的單級拓撲結構是帶有集成式全橋隔離 LLC DC-DC轉換器的交錯式圖騰柱 PFC。

圖 7. 單級交錯式圖騰柱 PFC + LLC 級