具有GaN的汽车降压/反向升压转换器是如何实现高效48V配电的？

　　汽车行业电气化程度不断提高的趋势使汽车制造商既能经济高效地向市场提供新的创新，又能满足日益严格的排放法规。将车辆的主总线电压提高到48 V有助于满足轻度混合动力汽车的启停电机/发电机等高功率系统的需求，以及电动助力转向、电动增压、真空泵和水泵等负载的需求。
　　与传统的 12 V 汽车电源标准相比，48 V 配电可提供四倍的电力，而不会增加电缆厚度、重量和成本。到 2025 年，全球每 10 辆汽车中就有一辆预计将是 48 V 轻度混合动力车。
　　然而，立即放弃已建立的 12 V 电气系统并不是一个经济的选择。在实践中，48 V和12 V基础设施将在未来几代人中共存于车辆中。为了使这种双电压设置令人满意地工作，每个电池分别由48 V和12 V电池供电，需要一个双向DC-DC转换器在两个电池电压之间无缝传输电源。根据车辆的不同，转换器所需的额定功率范围约为 1.5 kW 至 6 kW。
　　氮化镓和功率转换
　　在设计汽车转换器时，尺寸、成本和可靠性是关键因素。为了满足这些标准，最简单的双向拓扑;选择同步降压/反向升压转换器。最大化能源效率也至关重要，在这里，设计人员可以利用氮化镓（GaN）技术实现比使用传统硅功率晶体管更高的效率。氮化镓具有极高的电子迁移率和低温度系数，这使得功率晶体管具有非常低的导通电阻（R上），从而最大限度地减少了导通状态传导损耗。横向晶体管结构还实现了极低的栅极电荷（QG），反向恢复电荷为零 （QRR）。此外，GaN FET的输出电容也低得多（C开放源码软件），而不是类似的MOSFET ［1］。
　　适用于 48 V 应用的 GaN FET 的品质因数提高了约 4 倍（芯片面积 x R上），与类似的MOSFET相比。对于相同的5 V栅极电压，GaN FET的栅极电荷至少比硅MOSFET低五倍。因此，GaN FET可以比硅MOSFET更高效地工作，并在高开关频率下工作，允许设计人员在其设计中指定更小的电容器和电感器。由于开关和导通状态的损耗较低，散热器尺寸也可以减小，最终实现更小、更纤薄的模块，或在相同的占位面积内实现更高的额定功率。最终，这为车辆设计师提供了额外的自由，可以在当今车辆带来的狭窄空间限制内打包更多新功能。
　　设计转换器
　　图1显示了1.5 kW双向48 V/12 V转换器的简化原理框图，通过并联两个转换器使其四相，可以相对容易地扩展到3 kW。图中所示的两相设计可在高达 1.5 kW 的频率下运行，12 V 端口上每相的最大电流为 62.5 A。这是通过使用EPC2206 eGaN（增强模式GaN®）AEC-Q101认证的FET实现的，该FET具有2.2 mΩ R上额定峰值直流电流为 90 A。两相设计还降低了电感器所需的额定电流。
　　
　　图1： 采用eGaN FET的两相双向转换器的简化原理图。
　　在该设计中，电感值和开关频率使用分析损耗模型确定，以便在全额定功率的50%下实现最大效率。如图所示，使用所选的2.2 μH电感和250 kHz开关频率时，峰值电感电流为70 A
　　为确保精确的相电流平衡，使用精密分流电阻器的电流检测优于电感DCR电流检测。然而，额定电流高于70 A的分流电阻通常占位面积大，因此寄生电感也很高，可能导致高噪声，使电流检测放大器饱和，从而使测量无效。克服这个问题的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。该设计使用最大带宽为500 kHz、增益为50 V/V的电流检测放大器，与200 μΩ分流电阻配合使用时，总电流检测增益为10 mV/A。
　　确保两相之间的对称布局也很重要，这样才能平衡相电流，并将由于栅极驱动延迟、开关转换速度、过冲或其他参数不匹配而导致的任何影响降至最低。使用GaN功率器件进行设计时，内部垂直环路［2］方法是将去耦电容放置在FET附近，并在下方放置一个实心接地层。为此应用选择的微控制器具有高分辨率PWM模块，可精确控制占空比和0.25 ns的死区时间，从而优化这些模块以充分利用GaN FET的性能。
　　降压和升压模式均实现数字平均电流模式控制。控制框图如图所示。2. 使用相同的电流基准，I裁判，因为两个独立的电流环路将两个电感中的电流调节到相同的值。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 需要一个散热器才能在 1.5 kW 的全输出功率下工作。使用标准的市售 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。在FET和散热器之间应用了导热系数为17.8 W/mK的电绝缘热界面材料（tiM）。
　　性能分析
　　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： EPC9137转换器与EPC2206氮化镓场效应管的照片。
　　图 4 显示了效率结果。在250 kHz时，使用2.2 μH电感时，转换器实现了97%的峰值效率。当工作频率为500 kHz时，使用1.0 μH电感时，峰值效率为95.8%。
　　
　　图4： EPC9137在250 kHz和500 kHz、48 V输入和13.8 V输出下的测量转换器效率。
　　EPC9137转换器还在13.8 V输入和48 V输出下进行了升压模式操作测试，如图5所示。
　　
　　图5： 在250kHz、13.8 V输入和48 V输出下测得的EPC9137转换器效率。
　　在满负载下，EPC eGaN FET 可在 250 kHz 开关频率下以 96% 的效率运行，与硅基解决方案相比可实现 750 W/相，硅基解决方案由于 100 kHz 最大开关频率下的电感电流限制而限制为 600 W/相。
　　结论
　　汽车制造商面临着加快汽车电气化步伐的需求，既要在市场上竞争，又要满足日益严格的环境法规。此双向 DC-DC 转换器设计示例展示了 EPC 的汽车级 eGaN FET（如 EPC2206）如何帮助集成 48 V 总线，以实现高功耗负载电气化并满足整个车辆不断增长的功率需求。在48 V至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%的最大效率，在500 kHz时可实现高于95%的最大效率。