用于汽车 48 V 配电的双向 DC-DC 转换器的设计
时间：2024-11-11 21:07:11
设想汽车转换器时，尺寸、本钱和可靠性是关头要素。为了餍足这些规范，最简略的双向拓扑；抉择同步降压/反向升压转换器。最大限度地进步动力服从也相当首要，在这里，设想职员能够应用氮化镓 (GaN) 手艺来完成比应用传统硅功率
更高的服从。氮化镓受害于极高的
迁移率和低温度系数，这使得功率晶体管拥有异常低的导通电阻（R ON），从而最大限度地缩小导通消耗。横向晶体管布局还致使极低的栅极电荷 (Q G ) 和零反向复原电荷 (Q RR）。另外，GaN FET 的输入电容 (C OSS ) 也比同类 MOSFET 低得多 。
与近似 MOSFET 相比，适用于 48 V 使用的 GaN FET 的质量因数（芯片面积 x R ON ）凌驾约四倍。关于沟通的 5V 栅极电压，GaN FET 的栅极电荷比硅 MOSFET 至多低五倍。是以，与硅 MOSFET 相比，GaN FET 能够在高 频次下更高效地事情，从而使设想职员可以或许在设想中指定更小的 和电感器。因为开关和导通状态下的消耗较低，散热器尺寸也能够减小，终究完成更小、更纤薄的模块或在沟通的占地面积内同意更高的额外功率。终究，这为车辆设想职员供应了额定的自在，能够在现今车辆的狭窄空间限定内封装更多新功能。
设想转换器 图 1 表现了 1.5 kW 双向 48 V/12 V 转换器的简化道理框图，经由过程并联两个转换器使其成为四相，能够相对于轻松地将其扩展到 3 kW。图中所示的两相设想可运转高达 1.5 kW，12 V 端口上每相的最大电流为 62.5 A。这是经由过程应用吻合 AEC-Q101 规范的 EPC2206 eGaN（增强型 GaN）FET 完成的，该 FET 拥有 2.2 mΩ R ON和 90 A 的额外峰值直流电流。两相设想还降低了所需的额外电流。电感器。
在此设想中，电感器值和开关频次是应用阐发消耗模子肯定的，以便在满额外功率的 50% 时完成服从最大化。如图所示，应用所选的 2.2 ?H 电感器和 250 kHz 开关频次时，峰值电感器电流为 70 A
为了确保正确的相电流均衡，应用周详分流 举行电流检测优于电感器 DCR 电流检测。然而，额外电流跨越 70 A 的分流电阻器平日占用空间较大，是以寄生电感也较高，从而会致使高噪声，从而使电流检测放大器饱和，从而致使丈量有效。降服这个题目的一个简略解决计划是增添一个拥有立室时候常数的 RC 滤波器网络，以排除并联电感。该设想应用最大带宽为 500 kHz 和 50 V/V 增益的电流检测放大器，与 200 ?Ω 分流电阻器一路使历时，可发生 10 mV/A 的总电流检测增益。
确保两相之间的对称结构也很首要，以便均衡相电流，并最大限度地缩小因为栅极驱动耽误、开关转换速率、过冲或其余参数不立室而造成的任何影响。应用 GaN 功率器件举行设计时，外部垂直环路 [2] 要领是将去耦电容器搁置在接近 FET 的地位，并在下方搁置一个牢固的接地层。为此使用抉择的微控制器拥有高分辨率 PWM 模块，能够正确操纵占空比和 0.25 ns 的死区时候，从而可以对其举行优化以充沛应用 GaN FET 的功能。 降压和升压模式均接纳数字均匀电流模式操纵。操纵框图如图所示。2. 对两个自力的电流环路应用沟通的电流基准 I REF将两个电感器中的电流调理至沟通值。两个外部电流环路的带宽配置为 6 kHz，内部电压环路带宽配置为 800 Hz。
GaN FET 需求散热器才能以 1.5 kW 的全输入功率运转。应用规范市售 1/8 砖散热器。PCB 上安装了四个金属垫片，为散热器装置供应适量的间隙。FET 和散热器之间应用了热导率为 17.8 W/mK 的电绝缘热界面资料 (TIM)。
绩效阐发 图 3 表现了 EPC9137 [5] 转换器的照片。装置散热器和 1700 LFM 气流后，转换器在 48 V 输出、13.8 V 输出下运转，并在 250 kHz 和 500 kHz 下举行测试。
在满负载时，EPC eGaN FET 可在 250 kHz 开关频次下以 96% 的服从运转，与基于硅的解决计划相比，可完成 750 W/相，而硅基解决计划因为电感器电流限定在 100 W/相，功率限制为 600 W/相。 kHz 最大开关频次。
论断
汽车制造商面临着加速车辆电气化措施的请求，既要在市场上合作，又要餍足日趋严峻的环境立法。此双向 DC-DC 转换器的设想示例展示了 EPC 的汽车级 eGaN FET（比方 EPC2206）若何赞助集成 48 V 总线，为高功率负载供电并餍足全部车辆不息增进的功率需要。当在 48 V 和 12 V 域之间传输功率时，EPC9137 转换器在 250 kHz 开关频次下可完成大于 96% 的最大服从，在 500 kHz 开关频次下可完成大于 95% 的最大服从。
与近似 MOSFET 相比，适用于 48 V 使用的 GaN FET 的质量因数（芯片面积 x R ON ）凌驾约四倍。关于沟通的 5V 栅极电压，GaN FET 的栅极电荷比硅 MOSFET 至多低五倍。是以，与硅 MOSFET 相比，GaN FET 能够在高 频次下更高效地事情，从而使设想职员可以或许在设想中指定更小的 和电感器。因为开关和导通状态下的消耗较低，散热器尺寸也能够减小，终究完成更小、更纤薄的模块或在沟通的占地面积内同意更高的额外功率。终究，这为车辆设想职员供应了额定的自在，能够在现今车辆的狭窄空间限定内封装更多新功能。
设想转换器 图 1 表现了 1.5 kW 双向 48 V/12 V 转换器的简化道理框图，经由过程并联两个转换器使其成为四相，能够相对于轻松地将其扩展到 3 kW。图中所示的两相设想可运转高达 1.5 kW，12 V 端口上每相的最大电流为 62.5 A。这是经由过程应用吻合 AEC-Q101 规范的 EPC2206 eGaN（增强型 GaN）FET 完成的，该 FET 拥有 2.2 mΩ R ON和 90 A 的额外峰值直流电流。两相设想还降低了所需的额外电流。电感器。
在此设想中，电感器值和开关频次是应用阐发消耗模子肯定的，以便在满额外功率的 50% 时完成服从最大化。如图所示，应用所选的 2.2 ?H 电感器和 250 kHz 开关频次时，峰值电感器电流为 70 A
为了确保正确的相电流均衡，应用周详分流 举行电流检测优于电感器 DCR 电流检测。然而，额外电流跨越 70 A 的分流电阻器平日占用空间较大，是以寄生电感也较高，从而会致使高噪声，从而使电流检测放大器饱和，从而致使丈量有效。降服这个题目的一个简略解决计划是增添一个拥有立室时候常数的 RC 滤波器网络，以排除并联电感。该设想应用最大带宽为 500 kHz 和 50 V/V 增益的电流检测放大器，与 200 ?Ω 分流电阻器一路使历时，可发生 10 mV/A 的总电流检测增益。
确保两相之间的对称结构也很首要，以便均衡相电流，并最大限度地缩小因为栅极驱动耽误、开关转换速率、过冲或其余参数不立室而造成的任何影响。应用 GaN 功率器件举行设计时，外部垂直环路 [2] 要领是将去耦电容器搁置在接近 FET 的地位，并在下方搁置一个牢固的接地层。为此使用抉择的微控制器拥有高分辨率 PWM 模块，能够正确操纵占空比和 0.25 ns 的死区时候，从而可以对其举行优化以充沛应用 GaN FET 的功能。 降压和升压模式均接纳数字均匀电流模式操纵。操纵框图如图所示。2. 对两个自力的电流环路应用沟通的电流基准 I REF将两个电感器中的电流调理至沟通值。两个外部电流环路的带宽配置为 6 kHz，内部电压环路带宽配置为 800 Hz。
GaN FET 需求散热器才能以 1.5 kW 的全输入功率运转。应用规范市售 1/8 砖散热器。PCB 上安装了四个金属垫片，为散热器装置供应适量的间隙。FET 和散热器之间应用了热导率为 17.8 W/mK 的电绝缘热界面资料 (TIM)。
绩效阐发 图 3 表现了 EPC9137 [5] 转换器的照片。装置散热器和 1700 LFM 气流后，转换器在 48 V 输出、13.8 V 输出下运转，并在 250 kHz 和 500 kHz 下举行测试。
在满负载时，EPC eGaN FET 可在 250 kHz 开关频次下以 96% 的服从运转，与基于硅的解决计划相比，可完成 750 W/相，而硅基解决计划因为电感器电流限定在 100 W/相，功率限制为 600 W/相。 kHz 最大开关频次。
论断
汽车制造商面临着加速车辆电气化措施的请求，既要在市场上合作，又要餍足日趋严峻的环境立法。此双向 DC-DC 转换器的设想示例展示了 EPC 的汽车级 eGaN FET（比方 EPC2206）若何赞助集成 48 V 总线，为高功率负载供电并餍足全部车辆不息增进的功率需要。当在 48 V 和 12 V 域之间传输功率时，EPC9137 转换器在 250 kHz 开关频次下可完成大于 96% 的最大服从，在 500 kHz 开关频次下可完成大于 95% 的最大服从。
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