GaN 与功率转换
设想汽车转换器时，尺寸、本钱和可靠性是关头要素。为了餍足这些规范，抉择最简略的双向拓扑布局：同步降压/反向升压转换器。最大限度提高能效也相当首要，在这里，设想职员能够应用氮化镓 (GaN) 手艺完成比应用传统硅功率晶体管高得多的服从。氮化镓拥有极高的电子迁移率和低温度系数，这使功率晶体管拥有异常低的导通电阻 (R ON )，从而最大限度地减少了导通状况的传导消耗。横向晶体管布局还可完成极低的栅极电荷 (Q G ) 和零反向复原电荷 (Q RR )。另外，GaN FET 的输入电容 (C OSS ) 也比同类 MOSFET低得多[1]。
适用于 48 V 使用的 GaN FET 的质量因数 (芯片面积 x R ON ) 比近似 MOSFET好约莫四倍。关于沟通的 5 V 栅极电压，GaN FET 的栅极电荷至多比硅 MOSFET 低五倍。是以，与硅 MOSFET 相比，GaN FET 能够更高效地在高开关频次下运转，从而使设想职员能够在其设想中指定更小的电容器和电感器。因为开关和导通状态下的消耗较低，散热器尺寸也能够减小，终究能够完成更小、更薄的模块，或许在沟通的占位面积内完成更高的额外功率。终究，这为汽车设想职员供应了额定的自在，能够在现今汽车的狭窄空间限定内装置更多新功能。
设想转换器
图 1 表现了 1.5 kW 双向 48 V/12 V 转换器的简化道理框图，经由过程并联两个转换器使其成为四相转换器，能够相对于轻松地将其扩展到 3 kW。图中所示的两相设想可在 12 V 端口上以每相 62.5 A 的最大电流运转高达 1.5 kW。这是经由过程应用吻合 AEC-Q101 规范的 EPC2206 eGaN（增强型 GaN）FET 完成的，该 FET 拥有 2.2 mΩ R ON和 90 A 的额外峰值直流电流。两相设想还降低了电感器所需的额外电流。
图 1：接纳 eGaN FET 的两相双向转换器的简化原理图。
在本设想中，电感值和开关频次应用阐发消耗模子肯定，以便最大水平地进步额外功率 50% 时的服从。应用如图所示的 2.2H 电感和 250 kHz 开关频次，峰值电感电流为 70 A为确保正确的相电流均衡，应用周详分流电阻举行电流检测比电感器 DCR 电流检测更可取。然则，额外电流跨越 70 A 的分流电阻平日占用空间较大，是以寄生电感也较大，这会致使高噪声，从而使电流检测放大器饱和，从而使丈量有效。解决此题目的一个简略要领是增添一个拥有立室时候常数的 RC 滤波器网络来对消分流电感。此设想应用最大带宽为 500 kHz 且增益为 50 V/V 的电流检测放大器，与 200 ?Ω 分流电阻一路使历时，总电流检测增益为 10 mV/A。
确保两相之间的对称结构也相当首要，如许能力均衡相电流，并尽可能缩小因为栅极驱动耽误、开关转换速率、过冲或其余参数不立室而致使的任何影响。应用 GaN 功率器件举行设计时，外部垂直环路 [2] 要领是将去耦电容器搁置在接近 FET 的地位，并在其下方搁置一个实心接地立体。为此使用抉择的微控制器拥有高分辨率 PWM 模块，可正确操纵占空比和 0.25 ns 的死区时候，从而可以对其举行优化，以充沛应用 GaN FET 的功能。
降压和升压模式均接纳数字均匀电流模式操纵。操纵框图如图 2 所示。两个自力电流环路应用沟通的电流基准 I REF可将两个电感中的电流调理为沟通值。两个外部电流环路的带宽配置为 6 kHz，内部电压环路带宽配置为 800 Hz。
图2：数字均匀电流模式控制图
GaN FET 需求散热器才能在 1.5 kW 的全输入功率下事情。应用规范的市售 1/8 砖散热器。PCB 上安装了四个金属垫片，为散热器装置供应适量的间隙。在 FET 和散热器之间应用了导热系数为 17.8 W/mK 的电绝缘热界面资料 (TIM)。
功能阐发
图 3 表现了 EPC9137 [5] 转换器的照片。装置散热器和 1700 LFM 气流后，转换器在 48 V 输出、13.8 V 输出下运转，并在 250 kHz 和 500 kHz 下举行测试。
图 3：带有 EPC2206 GaN FET 的 EPC9137 转换器的照片。
图 4 表现了服从效果。在 250 kHz 下，应用 2.2 H 电感器，转换器完成了 97% 的峰值服从。在 500 kHz 下事情时，应用 1.0 H 电感器，峰值服从为 95.8%。
图 4： EPC9137 在 250 kHz 和 500 kHz、48 V 输出和 13.8 V 输入时丈量的转换器服从。
EPC9137 转换器还在 13.8 V 输出和 48 V 输出下进行了升压模式运转测试，如图 5 所示。
图 5：在 250kHz、13.8 V 输出和 48 V 输入时丈量的 EPC9137 转换器服从。
在满载情况下，EPC eGaN FET 可在 250 kHz 开关频次下以 96% 的服从运转，可完成 750 W/相，而硅基解决计划则因 100 kHz 最大开关频次下电感器电流的限定而仅限于 600 W/相。
论断
汽车制造商面临着加速汽车电气化措施的需要，既要在市场上合作，也要餍足日趋严峻的环境法例。这个双向 DC-DC 转换器的设想示例展示了 EPC 的汽车级 eGaN FET（比方 EPC2206）若何赞助集成 48 V 总线，从而为耗电负载供电并餍足全部车辆不息增进的电力需要。在 48 V 和 12 V 域之间传输电力时，EPC9137 转换器在 250 kHz 开关频次下可完成跨越 96% 的最大服从，在 500 kHz 下可完成跨越 95% 的最大服从。
0次