用于48V轻度混合动力电动汽车的基于GaN设计的2kW 48V/12V双向电源模块
日期：2023-06-02
随着政府应对气候变化的授权增加，汽车制造商正迅速采取行动，利用新技术做出反应从内燃机转向电动汽车
作者：Michael de Rooij，EPC
从2017年到现在，混合动力汽车市场的2.0%增长到5.1%，增长了一倍多。到2025年，预计全球每售出10辆汽车中就有一辆是48V轻度混合动力汽车。48V系统可提高燃油效率，在不增加发动机尺寸的情况下提供四倍的功率，并在不增加系统成本的情况下减少二氧化碳排放。这些系统需要一个48V–12V双向转换器，功率从1.5kW到6kW不等。这些系统的设计重点是尺寸、成本和高可靠性。基于GaN的设计提供了解决所有这些优先事项的解决方案。
本文介绍了一种使用GaN FET的2kW两相48V/12V双向转换器设计，其效率达到96%，适用于48V轻度混合系统。一种可扩展的解决方案：两个转换器可以并联4 kW，三个转换器可以并行6 kW，或者只有一相可以用于1 kW。双向直流-直流转换器的简化示意图如图1所示。
48V/12V双向直流-直流转换器设计
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图1：双向转换器的简化示意图
此设计使用EPC2302 GaN FET，该FET具有低电感3×5 mm QFN封装，顶部裸露，可实现出色的热管理。在1.8 mΩ RON的情况下，额定峰值dc电流为101 A。因此，选择了两相方法，以降低FET电流需求。例如，在14V 2kW输出时，每相的dc电流为70A。这也降低了电感器的额定电流要求。
此设计中的MPQ1918-AEC1栅极驱动器通过了AEC-Q100认证，并使用具有电压箝位的自举技术来驱动高侧FET。这些驱动器还具有快速的传播时间和典型小于1.5ns的极佳的传播延迟匹配。
Vishay IHTH-1125KZ-5A系列电感器为电感提供高电流额定值。在这种设计中，选择了1.0µH的电感器和500 kHz的开关频率，从而产生80 A的峰值电感器电流。
为了确保精确的相电流平衡，使用精确分流电阻器的电流感测优于电感器DCR电流感测。本设计中使用的MCP6C02电流感应放大器的最大带宽为500 kHz，增益为50 V/V。这导致0.2 mΩ分流器的总电流感应增益为10 mV/A。
两相之间的对称布局对于相电流平衡和最小化失配的其他影响（如栅极驱动延迟、开关转换速度、过冲等）也至关重要。图2显示了该设计中GaN FET周围的布局示例，其利用内部垂直布局技术，通过将去耦电容器放置在FET附近，而FET下面有一个坚实的接地层。
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图2：GaN FET周围印刷电路板顶部两层的布局示例：（a）由接地（GND）、开关节点（SW）和输入（VIN）网络组成的顶层，以及（b）固体接地层的中间层1
数字控制
本设计采用了Microchip公司的dsPIC33CK256MP503数字控制器。它是一个16位处理器，最大CPU速度为100 MIPS。脉宽调制（PWM）模块可以配置为高分辨率模式，从而在占空比和死区时间中获得250ps的分辨率，从而允许死区时间的精确调整，以充分利用GaN FET的快速开关能力。
数字平均电流模式控制用于降压模式和升压模式。电流感测电路由感测电阻器和差分放大器组成。在该设计中，使用了低损耗0.2mΩ感测电阻器和低噪声放大器MCP6C02。控制框图如图3所示。相同的电流参考IREF用于两个独立的电流回路。因此，两个电感器中的电流将被调节到相同的值。两个内部电流回路的带宽被设置为6kHz，外部电压回路的带宽设置为800Hz。
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图3：数字平均电流模式控制图
热管理
对于车辆电气化的最终使用情况，散热能力可以认为是无限的，因为这将最终在安装在底盘上的车辆内部发挥作用。对于这种设计，在2kW的全输出功率下，这里使用标准的市售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和散热器之间需要热界面材料（TIM）。通常，材料需要具有：a）由于压缩而产生的机械顺应性，b）电绝缘和c）良好的导热性。在该设计中，使用了17.8W/mK的TIM。图4显示了3D散热器安装视图。
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图4：散热器安装视图，显示金属垫片、热界面材料
设计验证结果
图5显示了未安装散热器的EPC9165[6]转换器的照片。尺寸为4.3×2.8×1.6英寸（108×70×40mm），不包括边缘连接器。
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图5：EPC9165转换器与EPC9528 dsPIC33CK控制器模块相连的照片
在安装散热器和1700 LFM气流的情况下，转换器在48 V输入、14.3 V输出下运行，并在500 kHz下进行测试。图中的效率结果6显示，在500 kHz下，使用1µH电感器，转换器实现了97%的峰值效率。对于升压模式操作，转换器也在14.3 V输入和48 V输出下进行了测试，如图7所示。
在全负载下，EPC eGaN FET可以在500kHz的开关频率下以96%的效率工作，与硅基解决方案相比，能够实现1kW/相，硅基方案由于在100kHz的最大开关频率下对电感器电流的限制而被限制为600W/相。
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图6：在500 kHz、48 V输入和14.3 V输出下测得的转换器效率
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图7：500 kHz、14.3 V输入和48 V输出时测得的转换器效率
结论
随着旨在提高燃油效率标准的全球立法不断增加，汽车制造商正在寻找具有成本效益的解决方案来满足这些需求，同时仍能为不断增加的电子驱动功能提供所需的动力。用于轻度混合动力汽车和电池备用单元的基于GaN的双向大功率转换器设计可以满足系统尺寸、成本和高可靠性的设计优先级。这种可扩展的解决方案可用于满足最新48 V轻度混合动力系统的功率要求，功率范围从1.5kW到6kW。www.epc-co.com.cn
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