针对48 V–12 V汽车应用的DC-DC转换

日期:2019-08-09
 
作者:Michael de Rooij,EPC应用工程副总裁
日期:2019年7月22日
适用于轻型混合动力车辆的48 V和12 V双总线
 
图1:符合AEC标准的Si MOSFET和eGaN FET的实例比较。
 
汽车动力总成技术的最新发展推动了双48 V和12 V总线在轻度混合动力汽车中的应用,这可以降低8-15%的燃油消耗。48 V锂离子电池总线还支持更高的功率负载,如空调、更快的机舱加热和更快、更平稳的启动。为了支持传统的12 V系统,需要一个双向48 V–12 V DC-DC转换器系统。
GaN晶体管具有良好的性能,适用于48 V的应用,它可以减少尺寸、重量和材料成本。本文介绍了一种五相、全调压、双向48 V至12 V的DC-DC转换器。这个先进的热管理解决方案适合用于eGaN FET,从而形成一个能够以超过97.5%的效率向14.5 V电池提供3千瓦电力的系统。
 
GaN在48V系统中的优势
采用高性能宽带隙氮化镓(GaN)晶体管可以提高双向48 V和12 V非隔离多相同步降压转换器的性能。eGaN FET在80-100 V电压下比最先进的硅MOSFET具有高达四倍的尺寸和开关性能。此外,通过汽车认证(AECQ-101RevD)的eGaN FET可以为汽车电力输送应用提供可靠、高效和更高功率密度的Si MOSFET替代品。
图1显示了符合AEC标准的Si MOSFET和GaN FET之间的尺寸差异示例。这两种器件都是80 V器件,并且具有可比较的RDS(on),尽管对于Si MOSFET来说,其总栅电荷QG要比EPC2206 eGaN FET高得多。这意味着从轻负载到大电流,GaN FET将优于Si MOSFET。此外,eGaN FET还具有六面冷却的热优势,因此它可以处理比其硅电池板高得多的电流。
 
基于eGaN FET的五相大电流双向DC-DC转换器
图2显示了五相概念验证大电流双向48 V和12 V DC-DC转换器的电源电路原理图和照片、俯视图和俯视图。印刷电路板为4英寸(100毫米)x 11英寸(280毫米),由六层组成,外层为1.6盎司铜,内层为2盎司铜。
每相使用两个符合汽车标准的6.8 μH电感器——Vishay IHLP-8787-GZ-ER6R8M5A,并联以支持所需的饱和电流。该原型使用德州仪器公司的LMG1205栅极驱动器、LT6105电流检测放大器和的AD590温度传感器,两种传感器均来自Analog Devices。使用的eGaN FET是符合AEC Q-101标准的EPC2206。根据要求,将样机闭环调节至12 V或14.6 V。
 
图2a:电源电路示意图。
 
图2b:使用EPC2206 GaN FET的五相原型照片。
最初,在不使用散热器的情况下对该多相转换器的性能进行评估,在印刷电路板上施加大约400LFM的强制空气进行热管理,并以250 kHz的频率运行。对于汽车应用,开关频率fsw不能太接近500 kHz,因为可能存在AM波段干扰。在传统的硅基系统中,例如,由于硅MOSFET的高QG,要选择接近100kHz的开关频率。
然而,eGaN FET提供了向更高开关频率转移的承诺,以减小尺寸并提高整体系统效率。如图3所示,峰值系统效率达到97.7%。
 
图3:fsw = 250 kHz和140 A时的效率为97.7%,不存在散热器。
高性能热解决方案
芯片规模的eGaN FET提供高达六面冷却,能够从片芯底部、顶部和侧面有效地提取热量。图4显示了适用于eGaN FET的热处理方法的横截面,其中所有组件与FET均位于同一侧,而这些FET将由散热器冷却,高度相同或更低。铜热界面块用于降低铜和散热片之间的热阻。
 
图4:增强型eGaN FET六面热解决方案的横截面。
 
为了最大限度地发挥双面冷却的好处,使用尼龙垫片将散热器连接到印刷电路板的顶部,以机械方式设置FET和散热器之间的间隙。此外,在该间隙内压缩间隙垫热界面材料(TIM),以降低散热片和FET之间的热阻,同时从周围区域的PCB中提取热量。该方法在高效功率转换的How2AppNote 012中进行了解释。
在本设计中,如图5所示,铜热界面块(TIB)也被焊接到连接到两个FET的铜平面上。TIB的使用进一步提高了散热片通过Rθ, jb从FET中提取热量的能力,与通过Rθ,jc的主路径平行。选择的TIB和其他附近元件的外形比FET(0.031英寸/0.785 mm)低,塑料垫片的高度设置为0.04英寸(1 mm),以保持FET和散热器之间的热阻非常低,并对热界面材料施加正确的压缩力。
 
图5:板到散热器总成显示了安装的尼龙垫片,以及放置在功率级上的0.5 mm TGX热垫。
 
散热器结果
样机采用400 LFM强制空气和自然对流冷却进行了试验。首先测试了强制空调,最大输出功率为3.12 kW。五个相位在120 kHz和12 V输出下运行,每个相位高达52 A。在输出电流为150 A时,在96.7%的条件下测量峰值效率,根据使用这些传感器的校准数据的板上温度测量,估计最大结温为53°C。测量的相电流在每相之间的平衡度均在3%以内。
 
图6:400 LFM强制空气冷却整个散热器时48 V–12 V转换效率。
 
然后用自然对流冷却对系统进行了测试。该试验在200 A总输出电流(2.4 kW)时结束,以保持低于100°C的温度。
 
结论
本文以提高汽车应用中48 V至12-14.5 V功率转换的效率、可靠性和功率密度为重点,提出了一种三相双向3 kW降压/升压原型。该原型采用AEC Q-101 EPC2206 eGaN FET作为电源开关,并采用双面冷却和先进的热管理。它的效率在14.5 VOUT时超过97.5%。
热解决方案可以在不违反晶体管热额定值的情况下,使输出功率达到3 kW以上。对于汽车应用来说,散热器很可能与汽车底盘热连接,因此作为固定温度节点而不是热阻发挥作用。在这种情况下,本文给出的测试结果表明,这种基于5相eGaN FET的转换器可以在高达3.12 kW工作,结温仅比散热器温度高8°C。这种热性能主要由芯片级eGaN FET极低的结对壳热阻以及高性能的热设计实现。
GaN晶体管具有更好的品质因数(FOM)和改进的热管理,与硅MOSFET相比,可以减少48 V汽车应用的尺寸、重量和材料清单(BOM)成本。为什么会有人再硅MOSFET设计呢?
宜普电源转换公司(EPC)
https://epc-co.com
 

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