采用 GaN 的汽车降压／反向升压转换器，可实现高效 48 V 配电
【导读】汽车行业日益电气化的趋势使汽车制造商既能以成本效益向市场提供新的创新，又能满足日益严格的排放立法。将车辆的主母线电压提高到48V有助于满足耗电系统的需求，如轻度混合动力车辆的启停电机/发电机，以及电动助力转向、电动增压、真空泵和水泵等负载。
汽车行业日益电气化的趋势使汽车制造商既能以成本效益向市场提供新的创新，又能满足日益严格的排放立法。将车辆的主母线电压提高到48V有助于满足耗电系统的需求，如轻度混合动力车辆的启停电机/发电机，以及电动助力转向、电动增压、真空泵和水泵等负载。
与传统的12V汽车电源标准相比，48V配电可以在不增加电缆厚度、重量和成本的情况下提供四倍的电力。到2025年，预计每10辆汽车中就有一辆是48V轻度混合动力车。
然而，立即放弃已建立的12伏电力系统并不是一个经济的选择。在实践中，48V和12V基础设施将在未来几代车辆中共存。为了使这种双电压设置令人满意地工作，每一个都是为了确保的相电流平衡，使用精密分流电阻器进行电流检测优于电感器 DCR 电流检测。然而，额定电流超过 70 A 的分流电阻器通常占用空间较大，因此寄生电感也较高，从而会导致高噪声，从而使电流检测放大器饱和，从而导致测量无效。克服这个问题的一个简单解决方案是添加一个具有匹配时间常数的 RC 滤波器网络，以消除并联电感。该设计使用带宽为 500 kHz 和 50 V/V 增益的电流检测放大器，与 200 Ω 分流电阻器一起使用时，可产生 10 mV/A 的总电流检测增益。
确保两相之间的对称布局也很重要，以便平衡相电流，并限度地减少由于栅极驱动延迟、开关转换速度、过冲或其他参数不匹配而造成的任何影响。使用 GaN 功率器件进行设计时，内部垂直环路 [2] 方法是将去耦电容器放置在靠近 FET 的位置，并在下方放置一个坚固的接地层。为此应用选择的微控制器具有高分辨率 PWM 模块，可以控制占空比和 0.25 ns 的死区时间，从而可以对其进行优化以充分利用 GaN FET 的性能。
降压和升压模式均采用数字平均电流模式控制。控制框图如图所示。2. 对两个独立的电流环路使用相同的电流基准 I REF将两个电感器中的电流调节至相同值。两个内部电流环路的带宽设置为 6 kHz，外部电压环路带宽设置为 800 Hz。
图2：数字平均电流模式控制图
GaN FET 需要散热器才能以 1.5 kW 的全输出功率运行。使用标准市售 1/8 砖散热器。PCB 上安装了四个金属垫片，为散热器安装提供适当的间隙。FET 和散热器之间应用了热导率为 17.8 W/mK 的电绝缘热界面材料 (TIM)。
绩效分析
图 3 显示了 EPC9137 [5] 转换器的照片。安装散热器和 1700 LFM 气流后，转换器在 48 V 输入、13.8 V 输出下运行，并在 250 kHz 和 500 kHz 下进行测试。
图 3：带有 EPC2206 GaN FET 的 EPC9137 转换器的照片。
图 4 显示了效率结果。在 250 kHz 频率下，使用 2.2H 电感器，转换器实现了 97% 的峰值效率。当使用 1.0 H 电感器在 500 kHz 频率下工作时，峰值效率为 95.8%。
图 4：在 250 kHz 和 500 kHz、48 V 输入和 13.8 V 输出条件下测得的 EPC9137 转换器效率。
EPC9137 转换器还在 13.8V 输入和 48V 输出的升压模式操作下进行了测试，如图 5 所示。
图 5：在 250kHz、13.8V 输入和 48V 输出条件下测得的 EPC9137 转换器效率。
在满负载时，EPC eGaN FET 可在 250 kHz 开关频率下以 96% 的效率运行，与基于硅的解决方案相比，可实现 750 W/相，而硅基解决方案由于电感器电流限制在 100 W/相，功率限制为 600 W/相。 kHz 开关频率。
结论
汽车制造商面临着加快车辆电气化步伐的要求，既要在市场上竞争，又要满足日益严格的环境立法。此双向 DC-DC 转换器的设计示例展示了 EPC 的汽车级 eGaN FET（例如 EPC2206）如何帮助集成 48 V 总线，为高功率负载供电并满足整个车辆不断增长的功率需求。当在 48 V 和 12 V 域之间传输功率时，EPC9137 转换器在 250 kHz 开关频率下可实现大于 96% 的效率，在 500 kHz 开关频率下可实现大于 95% 的效率。
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