汽车电力电子系统为什么选择48V?

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【编者按】麦姆斯咨询整理了宜普电源转换公司(EPC)首席执行官Alex Lidow公开发表的关于GaN功率器件原理、应用及优势的理解,为读者奉献一系列文章。在本系列文章中,将讨论一些新兴应用如何利用GaN功率器件的优势实现终端产品差异化。

使用eGaN FET和IC实现尺寸最小、效率最高的48V向5-12V DC-DC转换

在本系列的第一篇文章中,讨论了低压硅基氮化镓(GaN-on-Silicon)功率器件如何实现许多新应用,如激光雷达(LiDAR)、包络跟踪和无线充电。这些新应用有助于为GaN器件提供强大的供应链、低生产成本和令人惊叹的可靠性记录。与GaN器件相关的基础工作,大大激励了保守的设计工程师,他们开始在主流应用中评估GaN器件,例如直流-直流(DC-DC)转换器、交流-直流(AC-DC)转换器。在本篇文章中,首先将对48V DC-DC转换器进行研究。

随着现代数据中心总线电压从12V向48V过渡,对提高48V电源转换效率和功率密度的要求越来越高。在此背景下,基于增强模式氮化镓场效应晶体管(eGaN FET)和集成电路(IC)设计的DC-DC转换器提供了一种高效率、高功率密度的解决方案。此外,归功于GaN晶体管在减小尺寸、减少重量和物料清单(BOM)成本等方面带来的优势,48V功率系统在轻度混合动力汽车、混合动力汽车和插电式混合动力电动汽车得到应用。

汽车电力电子系统为什么选择48V?

随着自动驾驶汽车的出现,以电力推进为动力的汽车技术进入了复兴期。据Yole的《自动驾驶汽车传感器-2018版》,2032年全球自动驾驶汽车的产量将达到2310万台。2035年,将有3200万辆汽车实现电力推进。两大趋势都将转化为对功率半导体需求的大幅增长。

在最新款汽车中,耗电型电气驱动功能开始出现,对48V总线电源配电的需求变得更加明显。这些功能包括自动启停车、电动转向、电动悬架、电动涡轮增压和变速空调。现在,随着自动驾驶汽车的出现,诸如激光雷达、雷达、摄像头和强大的图形处理器等系统对配电系统提出了额外的要求。图形处理器非常耗电,给传统的12V汽车配电总线额外增加了负荷。

上述应用的电力负荷日益增加,需要提供与高性能游戏系统、高性能服务器、人工智能系统甚至加密货币挖掘机(配电总线为48V)等应用类似的高功率解决方案。

现代数据中心为什么选择48V?

除了上文所提到的汽车应用需求之外,新兴的先进计算应用也需要功率更高、外形尺寸更小的功率器件。服务器市场的需求不断增加,一些最具挑战性的应用如多用户游戏系统、人工智能(AI)和加密货币挖掘机的需求也在逐渐增加。使用eGaN FET和IC为高性能计算应用构建48V DC-DC转换器,减小了尺寸,提高了效率,并降低了系统总成本。

基于GaN的功率模块EPC9205,配置为同步Buck变换器,当输入电压为48V,输出电压为12V,负载为10A,功率密度达1400W/in³。此设计可提供5V~12V的输出电压,每相输出电流为14A。

如图1所示,EPC2045额定电压为100V,导通电阻为7MΩ,能够持续负载16A的电流。此外,EPC2045的体积仅仅是硅基MOSFET的五分之一,寄生电容较低,开关速度比同类硅基功率器件快得多,即使在较高的开关频率下开关损耗也达到最低水平。

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图1:EPC推出的100V eGaN功率晶体管

(逆向分析报告:《EPC增强型GaN-on-Silicon功率晶体管EPC2045》)

DrGaNPLUS功率模块EPC9205:功率密度达1400W/in³

EPC9205(图2)功率模块的结构示意图如图3所示,使用两颗EPC2045配置在同步Buck拓扑电路。如图2所示,EPC9205功率模块还搭载了uPI半导体公司的半桥栅极驱动器uP1966A,输入和输出滤波器,以及电流和温度传感器。eGaN FET的高频性能大大降低了对滤波的要求,从而降低输出滤波电感的尺寸和损耗。

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图2:EPC9205开发板将功率密度提高到1400W/in³

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图3:DrGaNPLUS功率模块EPC9205电路结构示意图

EPC9205性能验证

当频率为700kHz时,当电压从48V降低至12V,EPC9205在负载电流为10A时峰值效率达到96%,在气流速度为400 LFM时FET的最高温度为100℃。图4显示了负载电流为15A,输出电压为12V时的功率效率曲线。同样,EPC9205也能产生低至5V的输出电压。图5显示了在500kHz下工作时,输出电压为5~12V的效率曲线。

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图4:EPC9205的输出电流与效率关系图:工作在700kHz,输入电压为48V,输出电压为12V

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图5:EPC9205的输出电流与效率关系图:工作在500kHz,输入电压为48V,输出电压为12V

为了方便比对,图6将硅基MOSFET与EPC9205进行了比较。硅基MOSFET设计采用了较低的开关频率300kHz,并选择了威世(Vishay)IHLP-5050FD-01系列中容量最大的电感(5.6μH)。与硅基MOSFET的电气性能比较如图6所示。

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图6:硅基MOSFET与EPC9205的电气性能比较:输入电压为48V,输出电压为12V

GaN技术:效率更高,尺寸更小,成本更低

从48V转换到5~12V的总线转换器设计,从硅基MOSFET演进到eGaN FET,改进了尺寸和成本,性能不仅不会退化,还能有所提升。基于eGaN的48V-12V Buck转换器的材料清单(BOM)产生的每瓦特成本小于0.05美元。同样的BOM可以用于输出电压低至5V的器件。

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表1:基于eGaN FET的48V-12V Buck转换器物料清单

适用于EPC9205的控制器包括德州仪器(TI)的TPS53632G。当EPC9205被配置在多相电源系统中以获得更大的输出电流时,可以使用Mircochip公司的微控制器和数字信号控制器dsPIC33EP128GS704。

结论

基于eGaN FET实现48V、负载为1A的Buck转换器,已被证明可以产生5~12V的输出电压,峰值效率为96%,功率密度为1400W/in³。当输出电压为12V时,每瓦的平均成本可以低于0.05美元。eGaN FET无疑已成为更快、更高效、更低成本的半导体解决方案,可用于快速增长的高性能、高功率密度的48V应用,尤其适用于是数据中心配电和汽车应用。

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