【導(dǎo)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(zhuǎn)換效率、高可靠性已成為剛性需求。傳統(tǒng)IGBT器件因開關(guān)速度慢、反向恢復(fù)損耗大，難以滿足“小體積、大輸出”的設(shè)計目標(biāo)——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(guān)性能：其開關(guān)速度可達IGBT的5-10倍，反向恢復(fù)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(guān)鍵的是，它突破了IGBT對功率因數(shù)校正（PFC）拓?fù)涞南拗啤热鐖D騰柱PFC、交錯并聯(lián)PFC等新型架構(gòu)，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?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化，結(jié)合SiC器件的特性，拆解“如何通過拓?fù)溥x型匹配SiC優(yōu)勢”“元器件（如電容、電感）如何與拓?fù)鋮f(xié)同”等核心問題，為工程師提供可落地的設(shè)計指南。

優(yōu)化拓?fù)浣Y(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?fù)浣Y(jié)構(gòu)。此外，他們還必須選擇能夠精準(zhǔn)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?fù)涞墓杌O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%，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(yīng)用于硬開關(guān)拓?fù)鋾r，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(guān)拓?fù)涞闹C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?fù)浣Y(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?fù)浜凸β仕降?/span>EliteSiC MOSFET。

還可深度洞察采用我們?nèi)缦?/span>EliteSiC系列產(chǎn)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(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(biāo)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(zhǔn)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WürthElektronik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(xì)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。

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