設(shè)計汽車轉(zhuǎn)換器時，尺寸、成本和可靠性是關(guān)鍵因素。為了滿足這些標(biāo)準(zhǔn)，最簡單的雙向拓?fù)?；選擇同步降壓/反向升壓轉(zhuǎn)換器。最大限度地提高能源效率也至關(guān)重要，在這里，設(shè)計人員可以利用氮化鎵 (GaN) 技術(shù)來實現(xiàn)比使用傳統(tǒng)硅功率晶體管更高的效率。氮化鎵受益于極高的電子遷移率和低溫度系數(shù)，這使得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導(dǎo)通損耗。橫向晶體管結(jié)構(gòu)還導(dǎo)致極低的柵極電荷 (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 。
　　與類似 MOSFET 相比，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 ）高出約四倍。對于相同的 5V 柵極電壓，GaN FET 的柵極電荷比硅 MOSFET 至少低五倍。因此，與硅 MOSFET 相比，GaN FET 可以在高開關(guān)頻率下更高效地工作，從而使設(shè)計人員能夠在設(shè)計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，最終實現(xiàn)更小、更纖薄的模塊或在相同的占地面積內(nèi)允許更高的額定功率。最終，這為車輛設(shè)計人員提供了額外的自由，可以在當(dāng)今車輛的狹小空間限制內(nèi)封裝更多新功能。
　　設(shè)計轉(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)兩個轉(zhuǎn)換器使其成為四相，可以相對輕松地將其擴(kuò)展到 3 kW。圖中所示的兩相設(shè)計可運(yùn)行高達(dá) 1.5 kW，12 V 端口上每相的最大電流為 62.5 A。這是通過使用符合 AEC-Q101 標(biāo)準(zhǔn)的 EPC2206 eGaN（增強(qiáng)型 GaN）FET 實現(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)計還降低了所需的額定電流。電感器。

　　圖 1：采用 eGaN FET 的兩相雙向轉(zhuǎn)換器的簡化原理圖。
　　在此設(shè)計中，電感器值和開關(guān)頻率是使用分析損耗模型確定的，以便在滿額定功率的 50% 時實現(xiàn)效率最大化。如圖所示，使用所選的 2.2 ?H 電感器和 250 kHz 開關(guān)頻率時，峰值電感器電流為 70 A
　　為了確保精確的相電流平衡，使用精密分流電阻器進(jìn)行電流檢測優(yōu)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(dǎo)致高噪聲，從而使電流檢測放大器飽和，從而導(dǎo)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(shù)的 RC 濾波器網(wǎng)絡(luò)，以消除并聯(lián)電感。該設(shè)計使用最大帶寬為 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(chǎn)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，并最大限度地減少由于柵極驅(qū)動延遲、開關(guān)轉(zhuǎn)換速度、過沖或其他參數(shù)不匹配而造成的任何影響。使用 GaN 功率器件進(jìn)行設(shè)計時，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，并在下方放置一個堅固的接地層。為此應(yīng)用選擇的微控制器具有高分辨率 PWM 模塊，可以精確控制占空比和 0.25 ns 的死區(qū)時間，從而可以對其進(jìn)行優(yōu)化以充分利用 GaN FET 的性能?！　〗祲汉蜕龎耗Ｊ骄捎脭?shù)字平均電流模式控制?？刂瓶驁D如圖所示。2. 對兩個獨(dú)立的電流環(huán)路使用相同的電流基準(zhǔn) I REF將兩個電感器中的電流調(diào)節(jié)至相同值。兩個內(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 需要散熱器才能以 1.5 kW 的全輸出功率運(yùn)行。使用標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)?shù)拈g隙。FET 和散熱器之間應(yīng)用了熱導(dǎo)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(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?！　D 4 顯示了效率結(jié)果。在 250 kHz 頻率下，使用 2.2 H 電感器，轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)了 97% 的峰值效率。當(dāng)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(zhuǎn)換器效率?！　PC9137 轉(zhuǎn)換器還在 13.8V 輸入和 48V 輸出的升壓模式操作下進(jìn)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(zhuǎn)換器效率。
　　在滿負(fù)載時，EPC eGaN FET 可在 250 kHz 開關(guān)頻率下以 96% 的效率運(yùn)行，與基于硅的解決方案相比，可實現(xiàn) 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 最大開關(guān)頻率。
　　結(jié)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(yán)格的環(huán)境立法。此雙向 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的設(shè)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(fù)載供電并滿足整個車輛不斷增長的功率需求。當(dāng)在 48 V 和 12 V 域之間傳輸功率時，EPC9137 轉(zhuǎn)換器在 250 kHz 開關(guān)頻率下可實現(xiàn)大于 96% 的最大效率，在 500 kHz 開關(guān)頻率下可實現(xiàn)大于 95% 的最大效率。