【導(dǎo)讀】汽車行業(yè)日益電氣化的趨勢使汽車制造商既能以成本效益向市場提供新的創(chuàng)新，又能滿足日益嚴(yán)格的排放立法。將車輛的主母線電壓提高到48V有助于滿足耗電系統(tǒng)的需求，如輕度混合動力車輛的啟停電機(jī)/發(fā)電機(jī)，以及電動助力轉(zhuǎn)向、電動增壓、真空泵和水泵等負(fù)載。
汽車行業(yè)日益電氣化的趨勢使汽車制造商既能以成本效益向市場提供新的創(chuàng)新，又能滿足日益嚴(yán)格的排放立法。將車輛的主母線電壓提高到48V有助于滿足耗電系統(tǒng)的需求，如輕度混合動力車輛的啟停電機(jī)/發(fā)電機(jī)，以及電動助力轉(zhuǎn)向、電動增壓、真空泵和水泵等負(fù)載。
與傳統(tǒng)的12V汽車電源標(biāo)準(zhǔn)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(yù)計(jì)每10輛汽車中就有一輛是48V輕度混合動力車。
然而，立即放棄已建立的12伏電力系統(tǒng)并不是一個(gè)經(jīng)濟(jì)的選擇。在實(shí)踐中，48V和12V基礎(chǔ)設(shè)施將在未來幾代車輛中共存。為了使這種雙電壓設(shè)置令人滿意地工作，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 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，從而會導(dǎo)致高噪聲，從而使電流檢測放大器飽和，從而導(dǎo)致測量無效。克服這個(gè)問題的一個(gè)簡單解決方案是添加一個(gè)具有匹配時(shí)間常數(shù)的 RC 濾波器網(wǎng)絡(luò)，以消除并聯(lián)電感。該設(shè)計(jì)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布局也很重要，以便平衡相電流，并限度地減少由于柵極驅(qū)動延遲、開關(guān)轉(zhuǎn)換速度、過沖或其他參數(shù)不匹配而造成的任何影響。使用 GaN 功率器件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，內(nèi)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(jiān)固的接地層。為此應(yīng)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(qū)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(shù)字平均電流模式控制。控制框圖如圖所示。2. 對兩個(gè)獨(dú)立的電流環(huán)路使用相同的電流基準(zhǔn) I REF將兩個(gè)電感器中的電流調(diào)節(jié)至相同值。兩個(gè)內(nèi)部電流環(huán)路的帶寬設(shè)置為 6 kHz，外部電壓環(huán)路帶寬設(shè)置為 800 Hz。
圖2：數(shù)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(yùn)行。使用標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)?shù)拈g隙。FET 和散熱器之間應(yīng)用了熱導(dǎo)率為 17.8 W/mK 的電絕緣熱界面材料 (TIM)。
績效分析
圖 3 顯示了 EPC9137 [5] 轉(zhuǎn)換器的照片。安裝散熱器和 1700 LFM 氣流后，轉(zhuǎn)換器在 48 V 輸入、13.8 V 輸出下運(yùn)行，并在 250 kHz 和 500 kHz 下進(jìn)行測試。
圖 3：帶有 EPC2206 GaN FET 的 EPC9137 轉(zhuǎn)換器的照片。
圖 4 顯示了效率結(jié)果。在 250 kHz 頻率下，使用 2.2H 電感器，轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)了 97% 的峰值效率。當(dāng)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(zhuǎn)換器效率。
EPC9137 轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器效率。
在滿負(fù)載時(shí)，EPC eGaN FET 可在 250 kHz 開關(guān)頻率下以 96% 的效率運(yùn)行，與基于硅的解決方案相比，可實(shí)現(xiàn) 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 開關(guān)頻率。
結(jié)論
汽車制造商面臨著加快車輛電氣化步伐的要求，既要在市場上競爭，又要滿足日益嚴(yán)格的環(huán)境立法。此雙向 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)示例展示了 EPC 的汽車級 eGaN FET（例如 EPC2206）如何幫助集成 48 V 總線，為高功率負(fù)載供電并滿足整個(gè)車輛不斷增長的功率需求。當(dāng)在 48 V 和 12 V 域之間傳輸功率時(shí)，EPC9137 轉(zhuǎn)換器在 250 kHz 開關(guān)頻率下可實(shí)現(xiàn)大于 96% 的效率，在 500 kHz 開關(guān)頻率下可實(shí)現(xiàn)大于 95% 的效率。
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