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工業(yè)充電器拓撲結(jié)構(gòu)選型基礎(chǔ)知識：優(yōu)化拓撲結(jié)構(gòu)與元器件選型

作者：時間：2025-09-24 來源：安森美

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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)。

本白皮書回顧了多種功率拓撲結(jié)構(gòu)，還提出了功率因數(shù)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(yōu)勢及其性能特點。

白皮書第一篇介紹了工業(yè)充電器簡介、PFC 級選型，第二篇介紹了隔離式DC-DC功率級選擇。本文將介紹優(yōu)化拓撲結(jié)構(gòu)與元器件選型。

優(yōu)化拓撲結(jié)構(gòu)與元器件選型

電池供電工具和設(shè)備的便利性在很大程度上依賴于快速高效的充電。為此，電池充電解決方案的設(shè)計人員必須根據(jù)所需的功率水平和工作電壓，精心選擇最佳拓撲結(jié)構(gòu)。此外，他們還必須選擇能夠精準滿足應(yīng)用性能要求的元器件。

安森美提供覆蓋低壓、中壓及高壓的全系列功率分立器件，包括適用于上述關(guān)鍵拓撲的硅基二極管、MOSFET和IGBT。依托先進的裸芯與封裝技術(shù)，安森美功率器件以卓越品質(zhì)和穩(wěn)健性能滿足各類設(shè)計需求。

此外，我們基于SiC的開關(guān)器件具備更快的開關(guān)速度和超低損耗特性，可顯著提升功率密度。安森美 650 V M3S EliteSiC MOSFET（圖 1）提供業(yè)界領(lǐng)先的開關(guān)性能，大幅提升 PFC 和 LLC 級的系統(tǒng)效率。

該器件針對 40 kHz 至 400 kHz 的高頻應(yīng)用進行了優(yōu)化。EliteSiC M3S 技術(shù)相比其前代產(chǎn)品，柵極電荷減少了 50%，E_OSS降低了 44%，輸出電容中的存儲電荷（Q_OSS）減少了 44%。這種出色的E_OSS參數(shù)在PFC級應(yīng)用于硬開關(guān)拓撲時，可顯著提升輕載條件下的系統(tǒng)效率。同時，較低的 Q_OSS還簡化了 LLC 級軟開關(guān)拓撲的諧振腔電感設(shè)計。此外，M3S EliteSiC MOSFET在PFC和DC-DC模塊高頻運行時保持低溫工作狀態(tài)。

圖 1. 650 V M3S EliteSiC MOSFET 是 PFC 和 LLC 級的理想選擇

圖 2. 安森美 650 V M3S EliteSiC MOSFET 產(chǎn)品系列

我們還提供基于 PLCES 的系統(tǒng)級 Elite Power 仿真工具，助力工程師根據(jù)不同的拓撲結(jié)構(gòu)和功率水平優(yōu)化元器件選型。該仿真工具不僅能協(xié)助選擇適用于各種拓撲和功率水平的EliteSiC MOSFET。

還可深度洞察采用我們?nèi)缦翬liteSiC 系列產(chǎn)品的電路運行狀況，F(xiàn)ield Stop 7 (FS7) IGBT、PowerTrench^?T10 MOSFET 和 Inteligent Power Modules (IPM)，包括特定產(chǎn)品的制造工藝極限情況。我們的仿真模型不僅基于數(shù)據(jù)手冊中的典型參數(shù)，還提供了基于制造環(huán)境中物理相關(guān)性的極限工況仿真能力。這使用戶能夠了解器件在實驗室工藝邊界條件下的性能，從標稱情況到最壞情況均可進行仿真。

此外，PLECS 模型自助生成工具（SSPMG）允許用戶輸入具有代表性的寄生元件，并生成自己的定制 PLECS 模型進行仿真。我們通過創(chuàng)新的SPICE模型實現(xiàn)了高精度的原型設(shè)計。

我們的物理和可擴展 SPICE 模型為仿真電力電子電路中功率器件的行為提供了一種準確而高效的方法，從而縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期。我們最近對SSPMG進行了升級，并集成了Würth Elektronik的無源元件數(shù)據(jù)庫，從而使用戶能夠為復(fù)雜的電力電子應(yīng)用創(chuàng)建更加精確和詳細的 PLECS 模型。這一直觀的基于網(wǎng)頁的平臺有助于在設(shè)計初期階段及早發(fā)現(xiàn)并解決性能瓶頸問題。