GaN 與功率轉(zhuǎn)換
　　設(shè)計(jì)汽車轉(zhuǎn)換器時(shí)，尺寸、成本和可靠性是關(guān)鍵因素。為了滿足這些標(biāo)準(zhǔn)，選擇最簡單的雙向拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：同步降壓/反向升壓轉(zhuǎn)換器。最大限度提高能效也至關(guān)重要，在這里，設(shè)計(jì)人員可以利用氮化鎵 (GaN) 技術(shù)實(shí)現(xiàn)比使用傳統(tǒng)硅功率晶體管高得多的效率。氮化鎵具有極高的電子遷移率和低溫度系數(shù)，這使功率晶體管具有非常低的導(dǎo)通電阻 (R ON )，從而最大限度地減少了導(dǎo)通狀態(tài)的傳導(dǎo)損耗。橫向晶體管結(jié)構(gòu)還可實(shí)現(xiàn)極低的柵極電荷 (Q G ) 和零反向恢復(fù)電荷 (Q RR )。此外，GaN FET 的輸出電容 (C OSS ) 也比同類 MOSFET低得多[1]。
　　適用于 48 V 應(yīng)用的 GaN FET 的品質(zhì)因數(shù) (芯片面積 x R ON ) 比類似 MOSFET好大約四倍。對于相同的 5 V 柵極電壓，GaN FET 的柵極電荷至少比硅 MOSFET 低五倍。因此，與硅 MOSFET 相比，GaN FET 可以更高效地在高開關(guān)頻率下運(yùn)行，從而使設(shè)計(jì)人員可以在其設(shè)計(jì)中指定更小的電容器和電感器。由于開關(guān)和導(dǎo)通狀態(tài)下的損耗較低，散熱器尺寸也可以減小，最終可以實(shí)現(xiàn)更小、更薄的模塊，或者在相同的占位面積內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高的額定功率。最終，這為汽車設(shè)計(jì)人員提供了額外的自由，可以在當(dāng)今汽車的狹小空間限制內(nèi)安裝更多新功能。　　設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換器

　　圖 1 顯示了 1.5 kW 雙向 48 V/12 V 轉(zhuǎn)換器的簡化原理框圖，通過并聯(lián)兩個(gè)轉(zhuǎn)換器使其成為四相轉(zhuǎn)換器，可以相對輕松地將其擴(kuò)展到 3 kW。圖中所示的兩相設(shè)計(jì)可在 12 V 端口上以每相 62.5 A 的最大電流運(yùn)行高達(dá) 1.5 kW。這是通過使用符合 AEC-Q101 標(biāo)準(zhǔn)的 EPC2206 eGaN（增強(qiáng)型 GaN）FET 實(shí)現(xiàn)的，該 FET 具有 2.2 mΩ R ON和 90 A 的額定峰值直流電流。兩相設(shè)計(jì)還降低了電感器所需的額定電流。
　　圖 1：采用 eGaN FET 的兩相雙向轉(zhuǎn)換器的簡化原理圖。
　　在本設(shè)計(jì)中，電感值和開關(guān)頻率使用分析損耗模型確定，以便最大程度地提高額定功率 50% 時(shí)的效率。使用如圖所示的 2.2H 電感和 250 kHz 開關(guān)頻率，峰值電感電流為 70 A為確保精確的相電流平衡，使用精密分流電阻進(jìn)行電流檢測比電感器 DCR 電流檢測更可取。但是，額定電流超過 70 A 的分流電阻通常占用空間較大，因此寄生電感也較大，這會導(dǎo)致高噪聲，從而使電流檢測放大器飽和，從而使測量無效。解決此問題的一個(gè)簡單方法是添加一個(gè)具有匹配時(shí)間常數(shù)的 RC 濾波器網(wǎng)絡(luò)來抵消分流電感。此設(shè)計(jì)使用最大帶寬為 500 kHz 且增益為 50 V/V 的電流檢測放大器，與 200 ?Ω 分流電阻一起使用時(shí)，總電流檢測增益為 10 mV/A。
　　確保兩相之間的對稱布局也至關(guān)重要，這樣才能平衡相電流，并盡量減少由于柵極驅(qū)動延遲、開關(guān)轉(zhuǎn)換速度、過沖或其他參數(shù)不匹配而導(dǎo)致的任何影響。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，并在其下方放置一個(gè)實(shí)心接地平面。為此應(yīng)用選擇的微控制器具有高分辨率 PWM 模塊，可精確控制占空比和 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 2 所示。兩個(gè)獨(dú)立電流環(huán)路使用相同的電流基準(zhǔn) I REF可將兩個(gè)電感中的電流調(diào)節(jié)為相同值。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 需要散熱器才能在 1.5 kW 的全輸出功率下工作。使用標(biāo)準(zhǔn)的市售 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。在 FET 和散熱器之間應(yīng)用了導(dǎo)熱系數(shù)為 17.8 W/mK 的電絕緣熱界面材料 (TIM)。
　　性能分析　　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 下，使用 2.2 H 電感器，轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)了 97% 的峰值效率。在 500 kHz 下工作時(shí)，使用 1.0 H 電感器，峰值效率為 95.8%。

　　圖 4： EPC9137 在 250 kHz 和 500 kHz、48 V 輸入和 13.8 V 輸出時(shí)測量的轉(zhuǎn)換器效率。　　EPC9137 轉(zhuǎn)換器還在 13.8 V 輸入和 48 V 輸出下進(jìn)行了升壓模式運(yùn)行測試，如圖 5 所示。

　　圖 5：在 250kHz、13.8 V 輸入和 48 V 輸出時(shí)測量的 EPC9137 轉(zhuǎn)換器效率。
　　在滿載情況下，EPC eGaN FET 可在 250 kHz 開關(guān)頻率下以 96% 的效率運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn) 750 W/相，而硅基解決方案則因 100 kHz 最大開關(guān)頻率下電感器電流的限制而僅限于 600 W/相。
　　結(jié)論
　　汽車制造商面臨著加快汽車電氣化步伐的需求，既要在市場上競爭，也要滿足日益嚴(yán)格的環(huán)境法規(guī)。這個(gè)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，從而為耗電負(fù)載供電并滿足整個(gè)車輛不斷增長的電力需求。在 48 V 和 12 V 域之間傳輸電力時(shí)，EPC9137 轉(zhuǎn)換器在 250 kHz 開關(guān)頻率下可實(shí)現(xiàn)超過 96% 的最大效率，在 500 kHz 下可實(shí)現(xiàn)超過 95% 的最大效率。