功率模块在充电设备上的应用
摘要
半导体材料在当前的电池充电应用中扮演着重要角色。正是这个原因，Vincotech公司开发了一系列针对这种应用的全功率范围的功率模块，有如H桥，半桥，降压、升压模块，集成整流桥的模块，经过变换，输出适用于电池的固定电压和频率的直流低压电源，它们总体上提高了效率、改善成本与体积间的性价比，同时规范设计、风险可控。更重要的是客户工程师更便利地应用Vincotech的功率模块。这种功率模块在最大程度上在应用设计中节省了PCB板的面积。
引言
越来越多的工程师正在优化UPS和后备系统电源中可充电电池的充电电路。即便传统的充电器也很依赖半导体技术，更多的充电设备采用最近PWM控制技术。交流AC输入首先整流成直流高压，然后逆变成高频交流AC，通过高频变压器把输出电压通过整流二极管整到适合电池的电压。
图1：参考变换系统方框图
常用充电设备大致分为如下两类：
•常用于室内的电池充电设备
•电动汽车电池充电设备
当然它们最大的差别是应用环境的不同，其实还有一个差别就是复杂程度。电动汽车充电设备需要经常地对电池进行电量补充，不光在电动汽车停在停车场，还在电动汽车制动过程中，这样一来就有两类电动汽车电池充电设备：
•在线充电设备
•离线充电设备
每种充电设备都有它们的优和缺点。在线式充电设备，它安装在电动汽车上，只要有电源插座的地方都可以给电池充电。当中有些充电设备中还自带再生装置单元。这就意味着这种充电设备不仅在停车场使用，在汽车驾驶中也在使用。这种充电设备的缺点是由于受到体积和重量的限制，它的电源功率受限。反过来，离线式充电设备从理论上讲输出功率是不受限制的。然而电池接受充电设备充电电流能力受到电池本身的限制。离线式充电设备给电池充电更快，但是并不那么携带方便。
AC-DC变换器
标准的50HZ整流二极管应用于固定AC交流输入转换成高压直流电压。然而晶闸管和MOSFET应用于更加苛刻要求的应用中。Vincotech提供了带整流桥和PFC技术的标准模块，适合于从电网获取正弦电流。
P98X系列模块集成了单相整流二极管和两路交错控制的PFC，根据不同的半导体器件尺寸，功率覆盖3-8KW。这种模块采用了快速开关器件，靠近高频回路处额外集成了吸收电容。在DC回路上的分流电阻用来检测主回路电流。两路PFC电路的电流采样需要额外采用电流传感器。这个变换模块封装中还集成了可恢复二极管。
图2：P98X模块的示意图
图2所示：半控的P98X模块集成自带并联开关，在主回路中可能需要检测电流。并联开关由IGBT和MOSFET组成，结合了它们各自的技术优势，一方面是：MOSFET的开关损耗低，另一方面：IGBT的导通损耗低。
P98X模块带整流二极管在任意角度位置都能实现变换，就如快速IGBT和MOSFET。主要的区别在与漏极开路输出或源极开路输出方式，即电流检测时参是浮地或基于DC点。工程师使用这种模块以获得高效率的同时节省散热器空间，集成的电容使杂散电感最小和减低EMI的影响。
P38X是一款应用需求不高的经济型模块。
图3：P38X模块的示意图
这款模块专门针对AC-DC-AC的应用而无需分流器和吸收电容，集成的器件主要限定于50HZ的整流二极管和快速IGBT的H桥。实现更高的效率需要使用MOSFET和IGBT，这种射极开路输出的配置使得每个桥臂都能独立地进行电流采样。
DC-DC变换
在功率因素校正之后实现高频AC电压变换，很多充电设备工作在基于H桥的硬开关模式。一般来说，采用四个MOSFET来实现这种功能，但是快速IGBT也是一种选择。
Vincotech同样提供这种应用的标准产品解决方案。P72X系列的模块集成快速IGBT或MOSFET，同时电容靠近内部的高频电路回路。
图4：P72X的示意图
这个系列配置了600V IGBT或MOSFET，或1200V的快速IGBT。
升压+H桥
P89X包含了一路BOOST的PFC电路和一组H桥，这颗模块主要应用于比较关心成本预算的设计组合中，因此整流二极管需要另外安装到PCB，当然该模块配备了高速开关的MOSFETS.
图5：P89X模块的示意图
Buck-Boost/ Boost-Buck模块
另外一个选择就是M30X系列的模块，用作Buck-Boost/ Boost-Buck模块，它采用过了不同的技术来实现两个独立的过程控制，这种标准模块供应30A电流以上，包括配置基于IGBT或41 mΩ的MOSFET。
图6：M30X模块的示意图
每个模块内部集成了温度传感器，用来检测散热器温度以便在必要的时候调整散热器温度。
结论
本文谈到了多种拓扑结构的特点。Vincotech已经解决了在选择功率模块规格应用于充电设计中的各种问题。脉冲整流器交错控制的PFC包括半桥可控和不可控制配置，带或不带并联开关，都能应用于AC-DC变换。标准的模块系列包括成本优化了的自带整流桥和H桥，也有模块自带PFC和H桥。各种功率的Boost-Buck 或 Buck-Boost组合功能模块已能供货。
像更换内部的开关管或者二极管一样，进行例行的修改，各种模块都能提供焊接或压接引脚安装方式，预涂热相变材料层也是一种选择。
提供这种特殊的引脚输出和集成吸收电容模块，意味着实现更高的效率、更加小型封装、高度集成。
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