面向電動汽車的DC-DC 參考設(shè)計

由氮化鎵專家 EPC 與 MPS 合作開發(fā)的雙向轉(zhuǎn)換器以標(biāo)稱的 97% 的峰值效率運(yùn)行。

EPC9165 降壓轉(zhuǎn)換器是一款 2kW、兩相 48V-14V 雙向器件，旨在提供高密度和高功率的 48V 電池組，通常用于電動汽車應(yīng)用。對于 4 kW 運(yùn)行，EPC 表示兩個轉(zhuǎn)換器可以并行運(yùn)行；對于 6 kW，可以組合三個轉(zhuǎn)換器；對于 1 kW，只能使用一相。輸出電壓為 14 伏。

由于轉(zhuǎn)換器的硬開關(guān)拓?fù)涮峁┓€(wěn)定的輸出，因此該架構(gòu)還可以更改為支持 12 至 36 伏的輸入。兼容的控制器模塊 (EPC9528) 包括一個 Microchip dsPIC33CK256MP503 16 位數(shù)字控制器。大多數(shù)模擬控制與 GaN FET 不兼容，需要額外的電路來匹配柵極驅(qū)動器的行為。數(shù)字解決方案提供了一種實(shí)現(xiàn)高級電源和溫度保護(hù)功能的有效方法。

此外，數(shù)字控制（例如 dSPIC33CK）支持動態(tài)調(diào)整停機(jī)時間以及單相到多相設(shè)計。

EPC 戰(zhàn)略營銷副總裁 Cecilia Contenti 表示，48V - 12V 雙向轉(zhuǎn)換器廣泛用于電動汽車、微型電動汽車和運(yùn)行在 2-2.5 kW 之間的輕型移動應(yīng)用以及功率高達(dá) 4 kW 的小型混合動力車. “一個例子是城市汽車，它的功率為 2 kW。Contenti 表示，與限制為 100 kHz 的 Si MOSFET 解決方案相比，GaN 解決方案可以在 500 kHz 下運(yùn)行，同時允許每相更高的功率。這是因?yàn)樵谙嗤耐庑纬叽缦拢姼兄蹈?，電流更高?

EPC 聲稱其轉(zhuǎn)換器比競爭器件小 58%，重量更輕，峰值效率超過 97%，而使用類似電感器的 Si MOSFET 的峰值效率為 95%。鑒于 GaN 的熱特性和效率，Contenti 表示不需要冷卻。

板卡功能

EPC9165 參考設(shè)計包含采用 EPC 最新的 100-V GaN 技術(shù)的 QFN 封裝中的 EPC2302 GaN FET。該器件提供大約 101 A 的連續(xù)電流和 408 A 的脈沖電流。該封裝在散熱器處提供 0.2 degC/W 的熱阻，典型的 RDS(on) 為 1.4 mOhm，典型的 QG 為 23 nC。

熱管理對于確保持續(xù)運(yùn)行至關(guān)重要。即使安裝了散熱器，在指定的輸出電流范圍內(nèi)運(yùn)行也需要足夠的冷卻。根據(jù) EPC，安裝的散熱器可以散熱。如圖所示，Wakefield 567-94AB 散熱器適合 1 毫米高的 SMD 螺紋 (M2) 板墊片，在 FET 和散熱器之間留有 0.3 毫米的間隙。厚度為 0.5 mm 的 T-Global A1780 TIM 可提供跨越 0.3 mm 間隙的強(qiáng)導(dǎo)熱性。預(yù)裝的散熱器和 TIM 材料（圖 1）為測試提供適當(dāng)?shù)睦鋮s（圖 2）。

圖 1.

EPC9165 參考設(shè)計還包括專為與 GaN FET 一起使用而開發(fā)的新型 MPS MPQ1918 100V 半橋驅(qū)動器。MPQ1918 采用 3x3mm FCQFN 封裝，峰值電流為 1.6A，下拉/上拉電阻為 0.2Ω/1.2Ω，可實(shí)現(xiàn)大功率 FET。

圖 2：顯示 TIM 和散熱器安裝的 PCB 3D 模型

圖 3：EPC9165 板的功能框圖概述。（來源：EPC）

許多公司提供 GaN 優(yōu)化驅(qū)動器以提高性能。優(yōu)化包括 5V 柵極驅(qū)動電壓和高側(cè)自舉電壓“鉗位”，以避免自舉電容過度充電超過 6V。還包括一個相位節(jié)點(diǎn) PIN，能夠提供約 -3V 的負(fù)電壓、3.6 V（禁用）和 4.0 V（啟用）的欠壓鎖定、開關(guān)節(jié)點(diǎn)的高 dv/dt 能力，通常大于 100 V /ns，最高可達(dá) 200 V/ns。Contenti 說，理想情況下，死區(qū)時間管理小于 10 ns。

此外，據(jù) EPC 稱，MPS 100 V 柵極驅(qū)動器可提供更高的功率密度，同時簡化電動汽車設(shè)計。

EPC9165 包括用于 5 V 和 3.3 V 的邏輯電源。它還通過邊緣連接器為控制器卡供電。輸出電感電流和輸入電流均使用 0.2 mΩ 感應(yīng)電阻器和 50-V/V 放大器測量，因此電流感應(yīng)增益為 0.01 V/A。輸入和輸出電壓使用電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)（100 k 和 5.36 k）測量，增益為 0.05087。

“在主濾波電感器和低壓端子之間放置了一個分流器，”Contenti 說?！坝捎陔娏鞔?，使用了僅 200 μΩ 的極低電阻，在不影響信噪比的情況下盡可能降低損耗。

“分流電壓是使用高共模電壓 (65V) 分流放大器放大的，它使組件數(shù)量減少，占用的面積最小，并為轉(zhuǎn)換器提供足夠的帶寬，”她補(bǔ)充道。

由于開關(guān)頻率高，“分流器的電感成為設(shè)計中的一個重要因素，尤其是電流返回路徑。特別注意盡量減少布局中的這種電感，并通過使用無源集成技術(shù)以與 DCR 電流檢測技術(shù)類似的方式消除該電感來進(jìn)一步補(bǔ)償。完整的組合產(chǎn)生了一個高性能電流感應(yīng)系統(tǒng)，當(dāng)與數(shù)字控制器結(jié)合使用時，可以輕松超過 8 kHz 的控制帶寬，”Contenti 說。