【導讀】汽車行業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新，又能滿足日益嚴格的排放立法。將車輛的主母線電壓提高到48V有助于滿足耗電系統的需求，如輕度混合動力車輛的啟停電機/發電機，以及電動助力轉向、電動增壓、真空泵和水泵等負載。
汽車行業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新，又能滿足日益嚴格的排放立法。將車輛的主母線電壓提高到48V有助于滿足耗電系統的需求，如輕度混合動力車輛的啟停電機/發電機，以及電動助力轉向、電動增壓、真空泵和水泵等負載。
與傳統的12V汽車電源標準相比，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伏電力系統并不是一個經濟的選擇。在實踐中，48V和12V基礎設施將在未來幾代車輛中共存。為了使這種雙電壓設置令人滿意地工作，每一個都是為了確保的相電流平衡，使用精密分流電阻器進行電流檢測優于電感器 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，從而會導致高噪聲，從而使電流檢測放大器飽和，從而導致測量無效。克服這個問題的一個簡單解決方案是添加一個具有匹配時間常數的 RC 濾波器網絡，以消除并聯電感。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，可產生 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動延遲、開關轉換速度、過沖或其他參數不匹配而造成的任何影響。使用 GaN 功率器件進行設計時，內部垂直環路 [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 的死區時間，從而可以對其進行優化以充分利用 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。控制框圖如圖所示。2. 對兩個獨立的電流環路使用相同的電流基準 I REF將兩個電感器中的電流調節至相同值。兩個內部電流環路的帶寬設置為 6 kHz，外部電壓環路帶寬設置為 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，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。
在滿負載時，EPC eGaN FET 可在 250 kHz 開關頻率下以 96% 的效率運行，與基于硅的解決方案相比，可實現 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 開關頻率。
結論
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，又要滿足日益嚴格的環境立法。此雙向 DC-DC 轉換器的設計示例展示了 EPC 的汽車級 eGaN FET（例如 EPC2206）如何幫助集成 48 V 總線，為高功率負載供電并滿足整個車輛不斷增長的功率需求。當在 48 V 和 12 V 域之間傳輸功率時，EPC9137 轉換器在 250 kHz 開關頻率下可實現大于 96% 的效率，在 500 kHz 開關頻率下可實現大于 95% 的效率。
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