摘要
半導(dǎo)體材料在當(dāng)前的電池充電應(yīng)用中扮演著重要角色。正是這個原因，Vincotech公司開發(fā)了一系列針對這種應(yīng)用的全功率范圍的功率模塊，有如H橋，半橋，降壓、升壓模塊，集成整流橋的模塊，經(jīng)過變換，輸出適用于電池的固定電壓和頻率的直流低壓電源，它們總體上提高了效率、改善成本與體積間的性價比，同時規(guī)范設(shè)計、風(fēng)險可控。更重要的是客戶工程師更便利地應(yīng)用Vincotech的功率模塊。這種功率模塊在最大程度上在應(yīng)用設(shè)計中節(jié)省了PCB板的面積。
引言
越來越多的工程師正在優(yōu)化UPS和后備系統(tǒng)電源中可充電電池的充電電路。即便傳統(tǒng)的充電器也很依賴半導(dǎo)體技術(shù)，更多的充電設(shè)備采用最近PWM控制技術(shù)。交流AC輸入首先整流成直流高壓，然后逆變成高頻交流AC，通過高頻變壓器把輸出電壓通過整流二極管整到適合電池的電壓。
圖1：參考變換系統(tǒng)方框圖
常用充電設(shè)備大致分為如下兩類：
·常用于室內(nèi)的電池充電設(shè)備
·電動汽車電池充電設(shè)備
當(dāng)然它們最大的差別是應(yīng)用環(huán)境的不同，其實(shí)還有一個差別就是復(fù)雜程度。電動汽車充電設(shè)備需要經(jīng)常地對電池進(jìn)行電量補(bǔ)充，不光在電動汽車停在停車場，還在電動汽車制動過程中，這樣一來就有兩類電動汽車電池充電設(shè)備：
·在線充電設(shè)備
·離線充電設(shè)備
每種充電設(shè)備都有它們的優(yōu)和缺點(diǎn)。在線式充電設(shè)備，它安裝在電動汽車上，只要有電源插座的地方都可以給電池充電。當(dāng)中有些充電設(shè)備中還自帶再生裝置單元。這就意味著這種充電設(shè)備不僅在停車場使用，在汽車駕駛中也在使用。這種充電設(shè)備的缺點(diǎn)是由于受到體積和重量的限制，它的電源功率受限。反過來，離線式充電設(shè)備從理論上講輸出功率是不受限制的。然而電池接受充電設(shè)備充電電流能力受到電池本身的限制。離線式充電設(shè)備給電池充電更快，但是并不那么攜帶方便。
AC-DC變換器
標(biāo)準(zhǔn)的50HZ整流二極管應(yīng)用于固定AC交流輸入轉(zhuǎn)換成高壓直流電壓。然而晶閘管和MOSFET應(yīng)用于更加苛刻要求的應(yīng)用中。Vincotech提供了帶整流橋和PFC技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)模塊，適合于從電網(wǎng)獲取正弦電流。
P98X系列模塊集成了單相整流二極管和兩路交錯控制的PFC，根據(jù)不同的半導(dǎo)體器件尺寸，功率覆蓋3-8KW。這種模塊采用了快速開關(guān)器件，靠近高頻回路處額外集成了吸收電容。在DC回路上的分流電阻用來檢測主回路電流。兩路PFC電路的電流采樣需要額外采用電流傳感器。這個變換模塊封裝中還集成了可恢復(fù)二極管。
圖2：P98X模塊的示意圖
圖2所示：半控的P98X模塊集成自帶并聯(lián)開關(guān)，在主回路中可能需要檢測電流。并聯(lián)開關(guān)由IGBT和MOSFET組成，結(jié)合了它們各自的技術(shù)優(yōu)勢，一方面是：MOSFET的開關(guān)損耗低，另一方面：IGBT的導(dǎo)通損耗低。
P98X模塊帶整流二極管在任意角度位置都能實(shí)現(xiàn)變換，就如快速IGBT和MOSFET。主要的區(qū)別在與漏極開路輸出或源極開路輸出方式，即電流檢測時參是浮地或基于DC點(diǎn)。工程師使用這種模塊以獲得高效率的同時節(jié)省散熱器空間，集成的電容使雜散電感最小和減低EMI的影響。
P38X是一款應(yīng)用需求不高的經(jīng)濟(jì)型模塊。
圖3：P38X模塊的示意圖
這款模塊專門針對AC-DC-AC的應(yīng)用而無需分流器和吸收電容，集成的器件主要限定于50HZ的整流二極管和快速IGBT的H橋。實(shí)現(xiàn)更高的效率需要使用MOSFET和IGBT，這種射極開路輸出的配置使得每個橋臂都能獨(dú)立地進(jìn)行電流采樣。
DC-DC變換
在功率因素校正之后實(shí)現(xiàn)高頻AC電壓變換，很多充電設(shè)備工作在基于H橋的硬開關(guān)模式。一般來說，采用四個MOSFET來實(shí)現(xiàn)這種功能，但是快速IGBT也是一種選擇。
Vincotech同樣提供這種應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品解決方案。P72X系列的模塊集成快速IGBT或MOSFET，同時電容靠近內(nèi)部的高頻電路回路。
圖4：P72X的示意圖
這個系列配置了600V IGBT或MOSFET，或1200V的快速IGBT。
升壓+H橋
P89X包含了一路BOOST的PFC電路和一組H橋，這顆模塊主要應(yīng)用于比較關(guān)心成本預(yù)算的設(shè)計組合中，因此整流二極管需要另外安裝到PCB，當(dāng)然該模塊配備了高速開關(guān)的MOSFETS.
圖5：P89X模塊的示意圖
Buck-Boost/ Boost-Buck模塊
另外一個選擇就是M30X系列的模塊，用作Buck-Boost/ Boost-Buck模塊，它采用過了不同的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)兩個獨(dú)立的過程控制，這種標(biāo)準(zhǔn)模塊供應(yīng)30A電流以上，包括配置基于IGBT或41 m?的MOSFET。
圖6：M30X模塊的示意圖
每個模塊內(nèi)部集成了溫度傳感器，用來檢測散熱器溫度以便在必要的時候調(diào)整散熱器溫度。
結(jié)論
本文談到了多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。Vincotech已經(jīng)解決了在選擇功率模塊規(guī)格應(yīng)用于充電設(shè)計中的各種問題。脈沖整流器交錯控制的PFC包括半橋可控和不可控制配置，帶或不帶并聯(lián)開關(guān)，都能應(yīng)用于AC-DC變換。標(biāo)準(zhǔn)的模塊系列包括成本優(yōu)化了的自帶整流橋和H橋，也有模塊自帶PFC和H橋。各種功率的Boost-Buck 或 Buck-Boost組合功能模塊已能供貨。
像更換內(nèi)部的開關(guān)管或者二極管一樣，進(jìn)行例行的修改，各種模塊都能提供焊接或壓接引腳安裝方式，預(yù)涂熱相變材料層也是一種選擇。
提供這種特殊的引腳輸出和集成吸收電容模塊，意味著實(shí)現(xiàn)更高的效率、更加小型封裝、高度集成。
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