【導讀】汽車(chē)行業(yè)日益電氣化的趨勢使汽車(chē)制造商既能以成本效益向市場(chǎng)提供新的創(chuàng )新，又能滿(mǎn)足日益嚴格的排放立法。將車(chē)輛的主母線(xiàn)電壓提高到48V有助于滿(mǎn)足耗電系統的需求，如輕度混合動(dòng)力車(chē)輛的啟停電機/發(fā)電機，以及電動(dòng)助力轉向、電動(dòng)增壓、真空泵和水泵等負載。
汽車(chē)行業(yè)日益電氣化的趨勢使汽車(chē)制造商既能以成本效益向市場(chǎng)提供新的創(chuàng )新，又能滿(mǎn)足日益嚴格的排放立法。將車(chē)輛的主母線(xiàn)電壓提高到48V有助于滿(mǎn)足耗電系統的需求，如輕度混合動(dòng)力車(chē)輛的啟停電機/發(fā)電機，以及電動(dòng)助力轉向、電動(dòng)增壓、真空泵和水泵等負載。
與傳統的12V汽車(chē)電源標準相比，48V配電可以在不增加電纜厚度、重量和成本的情況下提供四倍的電力。到2025年，預計每10輛汽車(chē)中就有一輛是48V輕度混合動(dòng)力車(chē)。
然而，立即放棄已建立的12伏電力系統并不是一個(gè)經(jīng)濟的選擇。在實(shí)踐中，48V和12V基礎設施將在未來(lái)幾代車(chē)輛中共存。為了使這種雙電壓設置令人滿(mǎn)意地工作，每一個(gè)都是為了確保的相電流平衡，使用精密分流電阻器進(jìn)行電流檢測優(yōu)于電感器 DCR 電流檢測。然而，額定電流超過(guò) 70 A 的分流電阻器通常占用空間較大，因此寄生電感也較高，從而會(huì )導致高噪聲，從而使電流檢測放大器飽和，從而導致測量無(wú)效?？朔@個(gè)問(wèn)題的一個(gè)簡(jiǎn)單解決方案是添加一個(gè)具有匹配時(shí)間常數的 RC 濾波器網(wǎng)絡(luò )，以消除并聯(lián)電感。該設計使用帶寬為 500 kHz 和 50 V/V 增益的電流檢測放大器，與 200 Ω 分流電阻器一起使用時(shí)，可產(chǎn)生 10 mV/A 的總電流檢測增益。
確保兩相之間的對稱(chēng)布局也很重要，以便平衡相電流，并限度地減少由于柵極驅動(dòng)延遲、開(kāi)關(guān)轉換速度、過(guò)沖或其他參數不匹配而造成的任何影響。使用 GaN 功率器件進(jìn)行設計時(shí)，內部垂直環(huán)路 [2] 方法是將去耦電容器放置在靠近 FET 的位置，并在下方放置一個(gè)堅固的接地層。為此應用選擇的微控制器具有高分辨率 PWM 模塊，可以控制占空比和 0.25 ns 的死區時(shí)間，從而可以對其進(jìn)行優(yōu)化以充分利用 GaN FET 的性能。
降壓和升壓模式均采用數字平均電流模式控制?？刂瓶驁D如圖所示。2. 對兩個(gè)獨立的電流環(huán)路使用相同的電流基準 I REF將兩個(gè)電感器中的電流調節至相同值。兩個(gè)內部電流環(huán)路的帶寬設置為 6 kHz，外部電壓環(huán)路帶寬設置為 800 Hz。
圖2：數字平均電流模式控制圖
GaN FET 需要散熱器才能以 1.5 kW 的全輸出功率運行。使用標準市售 1/8 磚散熱器。PCB 上安裝了四個(gè)金屬墊片，為散熱器安裝提供適當的間隙。FET 和散熱器之間應用了熱導率為 17.8 W/mK 的電絕緣熱界面材料 (TIM)。
績(jì)效分析
圖 3 顯示了 EPC9137 [5] 轉換器的照片。安裝散熱器和 1700 LFM 氣流后，轉換器在 48 V 輸入、13.8 V 輸出下運行，并在 250 kHz 和 500 kHz 下進(jìn)行測試。
圖 3：帶有 EPC2206 GaN FET 的 EPC9137 轉換器的照片。
圖 4 顯示了效率結果。在 250 kHz 頻率下，使用 2.2H 電感器，轉換器實(shí)現了 97% 的峰值效率。當使用 1.0 H 電感器在 500 kHz 頻率下工作時(shí)，峰值效率為 95.8%。
圖 4：在 250 kHz 和 500 kHz、48 V 輸入和 13.8 V 輸出條件下測得的 EPC9137 轉換器效率。
EPC9137 轉換器還在 13.8V 輸入和 48V 輸出的升壓模式操作下進(jìn)行了測試，如圖 5 所示。
圖 5：在 250kHz、13.8V 輸入和 48V 輸出條件下測得的 EPC9137 轉換器效率。
在滿(mǎn)負載時(shí)，EPC eGaN FET 可在 250 kHz 開(kāi)關(guān)頻率下以 96% 的效率運行，與基于硅的解決方案相比，可實(shí)現 750 W/相，而硅基解決方案由于電感器電流限制在 100 W/相，功率限制為 600 W/相。 kHz 開(kāi)關(guān)頻率。
結論
汽車(chē)制造商面臨著(zhù)加快車(chē)輛電氣化步伐的要求，既要在市場(chǎng)上競爭，又要滿(mǎn)足日益嚴格的環(huán)境立法。此雙向 DC-DC 轉換器的設計示例展示了 EPC 的汽車(chē)級 eGaN FET（例如 EPC2206）如何幫助集成 48 V 總線(xiàn)，為高功率負載供電并滿(mǎn)足整個(gè)車(chē)輛不斷增長(cháng)的功率需求。當在 48 V 和 12 V 域之間傳輸功率時(shí)，EPC9137 轉換器在 250 kHz 開(kāi)關(guān)頻率下可實(shí)現大于 96% 的效率，在 500 kHz 開(kāi)關(guān)頻率下可實(shí)現大于 95% 的效率。
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