采用 GaN 的汽车降压/反向升压转换器,可实现高效 48 V 配电
出处:维库电子市场网 发布于:2024-03-05 17:22:27
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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