面向电动汽车的DC-DC 参考设计

[导读]由氮化镓专家 EPC 与 MPS 合作开发的双向转换器以标称的 97% 的峰值效率运行。 EPC9165 降压转换器是一款 2kW、两相 48V-14V 双向器件，旨在提供高密度和高功率的 48V 电池组，通常用于电动汽车应用。对于 4 kW 运行，EPC 表示两个转换器可以并行运行；对于 6 kW，可以组合三个转换器；对于 1 kW，只能使用一相。输出电压为 14 伏。

由氮化镓专家 EPC 与 MPS 合作开发的双向转换器以标称的 97% 的峰值效率运行。

EPC9165 降压转换器是一款 2kW、两相 48V-14V 双向器件，旨在提供高密度和高功率的 48V 电池组，通常用于电动汽车应用。对于 4 kW 运行，EPC 表示两个转换器可以并行运行；对于 6 kW，可以组合三个转换器；对于 1 kW，只能使用一相。输出电压为 14 伏。

由于转换器的硬开关拓扑提供稳定的输出，因此该架构还可以更改为支持 12 至 36 伏的输入。兼容的控制器模块 (EPC9528) 包括一个 Microchip dsPIC33CK256MP503 16 位数字控制器。大多数模拟控制与 GaN FET 不兼容，需要额外的电路来匹配栅极驱动器的行为。数字解决方案提供了一种实现高级电源和温度保护功能的有效方法。

此外，数字控制（例如 dSPIC33CK）支持动态调整停机时间以及单相到多相设计。

EPC 战略营销副总裁 Cecilia Contenti 表示，48V - 12V 双向转换器广泛用于电动汽车、微型电动汽车和运行在 2-2.5 kW 之间的轻型移动应用以及功率高达 4 kW 的小型混合动力车. “一个例子是城市汽车，它的功率为 2 kW。Contenti 表示，与限制为 100 kHz 的 Si MOSFET 解决方案相比，GaN 解决方案可以在 500 kHz 下运行，同时允许每相更高的功率。这是因为在相同的外形尺寸下，电感值更小，电流更高。

EPC 声称其转换器比竞争器件小 58%，重量更轻，峰值效率超过 97%，而使用类似电感器的 Si MOSFET 的峰值效率为 95%。鉴于 GaN 的热特性和效率，Contenti 表示不需要冷却。

板卡功能

EPC9165 参考设计包含采用 EPC 最新的 100-V GaN 技术的 QFN 封装中的 EPC2302 GaN FET。该器件提供大约 101 A 的连续电流和 408 A 的脉冲电流。该封装在散热器处提供 0.2 degC/W 的热阻，典型的 RDS(on) 为 1.4 mOhm，典型的 QG 为 23 nC。

热管理对于确保持续运行至关重要。即使安装了散热器，在指定的输出电流范围内运行也需要足够的冷却。根据 EPC，安装的散热器可以散热。如图所示，Wakefield 567-94AB 散热器适合 1 毫米高的 SMD 螺纹 (M2) 板垫片，在 FET 和散热器之间留有 0.3 毫米的间隙。厚度为 0.5 mm 的 T-Global A1780 TIM 可提供跨越 0.3 mm 间隙的强导热性。预装的散热器和 TIM 材料（图 1）为测试提供适当的冷却（图 2）。

图 1.

EPC9165 参考设计还包括专为与 GaN FET 一起使用而开发的新型 MPS MPQ1918 100V 半桥驱动器。MPQ1918 采用 3x3mm FCQFN 封装，峰值电流为 1.6A，下拉/上拉电阻为 0.2Ω/1.2Ω，可实现大功率 FET。

图 2：显示 TIM 和散热器安装的 PCB 3D 模型

图 3：EPC9165 板的功能框图概述。（来源：EPC）

许多公司提供 GaN 优化驱动器以提高性能。优化包括 5V 栅极驱动电压和高侧自举电压“钳位”，以避免自举电容过度充电超过 6V。还包括一个相位节点 PIN，能够提供约 -3V 的负电压、3.6 V（禁用）和 4.0 V（启用）的欠压锁定、开关节点的高 dv/dt 能力，通常大于 100 V /ns，最高可达 200 V/ns。Contenti 说，理想情况下，死区时间管理小于 10 ns。

此外，据 EPC 称，MPS 100 V 栅极驱动器可提供更高的功率密度，同时简化电动汽车设计。

EPC9165 包括用于 5 V 和 3.3 V 的逻辑电源。它还通过边缘连接器为控制器卡供电。输出电感电流和输入电流均使用 0.2 mΩ 感应电阻器和 50-V/V 放大器测量，因此电流感应增益为 0.01 V/A。输入和输出电压使用电阻分压器网络（100 k 和 5.36 k）测量，增益为 0.05087。

“在主滤波电感器和低压端子之间放置了一个分流器，”Contenti 说。“由于电流大，使用了仅 200 µΩ 的极低电阻，在不影响信噪比的情况下尽可能降低损耗。

“分流电压是使用高共模电压 (65V) 分流放大器放大的，它使组件数量减少，占用的面积最小，并为转换器提供足够的带宽，”她补充道。

由于开关频率高，“分流器的电感成为设计中的一个重要因素，尤其是电流返回路径。特别注意尽量减少布局中的这种电感，并通过使用无源集成技术以与 DCR 电流检测技术类似的方式消除该电感来进一步补偿。完整的组合产生了一个高性能电流感应系统，当与数字控制器结合使用时，可以轻松超过 8 kHz 的控制带宽，”Contenti 说。