【導讀】

隨著工業(yè)新能源體系（如電動叉車、分布式儲能、重型工程機械）的快速擴張，電池充電器的高功率密度、高轉換效率、高可靠性已成為剛性需求。傳統(tǒng)IGBT器件因開關速度慢、反向恢復損耗大，難以滿足“小體積、大輸出”的設計目標——而碳化硅（SiC）功率器件的出現(xiàn)，徹底改變了這一局面。

SiC器件的核心優(yōu)勢在于極致的開關性能：其開關速度可達IGBT的5-10倍，反向恢復損耗幾乎為零，同時能在175℃以上的高溫環(huán)境下穩(wěn)定工作。這些特性不僅能將充電器的功率密度提升40%以上（相同功率下體積縮小1/3），更關鍵的是，它突破了IGBT對功率因數(shù)校正（PFC）拓撲的限制——比如圖騰柱PFC、交錯并聯(lián)PFC等新型架構，原本因IGBT的損耗問題無法落地，如今借助SiC得以實現(xiàn)，使充電器的整體效率從92%提升至96%以上。

本文將聚焦工業(yè)充電器的拓撲結構優(yōu)化，結合SiC器件的特性，拆解“如何通過拓撲選型匹配SiC優(yōu)勢”“元器件（如電容、電感）如何與拓撲協(xié)同”等核心問題，為工程師提供可落地的設計指南。

優(yōu)化拓撲結構與元器件選型

電池供電工具和設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構。此外，他們還必須選擇能夠精準滿足應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，包括適用于上述關鍵拓撲的硅基二極管、MOSFET和IGBT。依托先進的裸芯與封裝技術，安森美功率器件以卓越品質和穩(wěn)健性能滿足各類設計需求。

此外，我們基于SiC的開關器件具備更快的開關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)界領先的開關性能，大幅提升 PFC 和 LLC 級的系統(tǒng)效率。

該器件針對 40 kHz 至 400 kHz 的高頻應用進行了優(yōu)化。EliteSiC M3S 技術相比其前代產品，柵極電荷減少了 50%，EOSS降低了 44%，輸出電容中的存儲電荷（QOSS）減少了 44%。這種出色的EOSS參數(shù)在PFC級應用于硬開關拓撲時，可顯著提升輕載條件下的系統(tǒng)效率。同時，較低的 QOSS還簡化了 LLC 級軟開關拓撲的諧振腔電感設計。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)不同的拓撲結構和功率水平優(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如下EliteSiC系列產品的電路運行狀況，Field Stop 7 (FS7) IGBT、PowerTrench?T10 MOSFET 和Inteligent Power Modules (IPM)，包括特定產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，從而縮短了產品開發(fā)周期。我們最近對SSPMG進行了升級，并集成了WürthElektronik的無源元件數(shù)據(jù)庫，從而使用戶能夠為復雜的電力電子應用創(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計初期階段及早發(fā)現(xiàn)并解決性能瓶頸問題。

圖 3. 安森美Elite Power仿真工具和 PLECS 模型自助生成工具