采用集成智能GaN IC设计电动汽车辅助电源

电动汽车中的辅助电源，也被称为辅助电源模块(APM)，是车辆不可或缺的组成部分。其主要功能是将动力电池中的电能高效地传输给低压电气负载和12V蓄电池。

 

随着电动汽车行业的不断发展，APM的设计正面临着更为严苛的挑战。这些问题包括需要更高的额定功率、更宽的电压范围、更强的可靠性以及更高的功率密度，同时还要保持高效的运行。

 

本文讨论了一种基于智能氮化镓(GaN)集成电路的高压转低压隔离反激转换器。该转换器被设计用作电动汽车的辅助电源，旨在在主电源出现故障时，为车辆的关键安全部件，特别是牵引逆变器，提供稳定的供电电压(约15-18V)。

 

智能氮化镓(Smart GaN)

全球汽车市场的显著增长正推动对先进电子元件的需求。这要求开发高度集成的智能系统解决方案。氮化镓技术以其智能和集成功能为特点，提供了一个引人注目的解决方案。特别是，氮化镓在高频域内展现出卓越的开关性能，使其非常适合电动汽车行业不断变化的格局。氮化镓解决方案的集成有望为新一代智能、高效且面向未来的电动汽车铺平道路。

 

集成智能氮化镓技术将单片功率级与驱动和控制电路相结合，为现代电力电子应用带来了显著优势。这种创新方法通过最小化寄生电感，促进了紧凑的设计，从而实现了更高的效率和更低的系统成本。此外，集成的氮化镓解决方案还通过减少外部元件数量简化了系统架构，提高了可靠性，并降低了总体系统成本。

 

设计中使用的智能氮化镓IC是一款650伏eGaN功率级，带有驱动器和保护功能的QFN封装。IC的主要技术特性包括：

·最大漏源电压(VDSmax)：650伏

·供电电压工作范围(VCC)：18至36伏

·高压供电工作范围(VSUPPLY)：20至650伏

·典型导通电阻(RDS(on))：190/410毫欧

 

芯片的内部框图和引脚排列如图1所示，包括电流模式控制、可调软启动、开启dV/dt和高达500 kHz的快速开关能力等功能。为了减小板尺寸并提高功率密度，选择了230至250 kHz的特定开关频率作为标称换向率。

图1：智能GaN IC的内部框图

 

智能氮化镓IC集成了多种保护功能，旨在增强系统可靠性和确保安全运行。这些功能包括：

 

过温保护：当系统达到不安全的操作温度时，此保护自动关闭系统，防止热失控和潜在损坏。

过流限制：此保护限制系统内的电流流动，防止可能导致组件故障的过电流负载。

输出过载保护与间歇模式：在输出过载的情况下，系统进入“间歇模式”，以受控速率循环开关，直到过载情况解决。这保护系统免受损坏，同时允许在正常操作条件下自动恢复。

输出过压保护与突发模式：此功能防止电压尖峰超过指定的输出限制。在这种情况下，系统进入“突发模式”，提供短时功率脉冲以维持功能，同时防止过压事件造成的损坏。

静电放电(ESD)保护：此集成保护屏蔽系统免受ESD影响，ESD是电子组件中常见的损坏原因。

 

演示板

图2展示了组装的应用演示板。靠近QFN封装中的智能氮化镓IC(U1)，我们可以看到用于频率选择的被动网络(C5和R4)。在反激式转换器的次级侧是钳位网络，由R9、C6和D3组成。反馈电路包括一个光耦合器(U2)和一个可调分流电压基准(D1)。T1是Würth Elektronik 750343808反激式变压器。

图2：应用演示板

 

对于PCB，选择了四层堆叠结构，具体如下：

第1层：主电源路径

第2层：电源地

第3层：信号地

第4层：反馈环路

 

性能测量

演示板的性能已通过施加VIN = 400伏输入电压和fSW = 230 kHz开关频率进行测量，以及其他根据具体测试描述的参数。目标输出电压为VOUT = 15伏。

 

突发模式和DCM开关

在IOUT = 0.05 A时获得的突发模式开关波形如图3所示。这些波形显示了在轻载电流高达0.4°时的突发模式操作，此时正常操作开始。

图3：突发模式开关波形

 

在IOUT = 1°时获得的不连续导通模式(DCM)开关波形如图4所示。漏源电压(VDS)的振荡和额外的电压平台是由变压器磁化电感和反射电压产生的。

在连续导通模式(CCM)下，转换器的平均总功率损耗(开关和导通)已测量为2.2瓦，下降时间为5.6纳秒，IOUT = 4.5 A。在CCM模式下运行时，设备可以提供高达68瓦的输出功率，确保效率为87.23%。

图4：DCM开关波形

 

在动态负载变化(IOUT从1 A到3 A变化)下，转换器保持良好的稳定性。对于较小的负载电流(IOUT从0.05 A到1 A变化)，转换器输出电压水平没有明显变化(约450 mV)。

 

在开路负载条件下(IOUT = 0 A)，输入功率引脚已测量为600毫瓦。为了产生所需的VCC电压，使用了变压器的第三绕组。

 

过温保护功能已通过外部加热设备进行测试。之后，由于OTP检测，开关操作在175°C时被抑制，并在温度下降时重新启用。

 

同样，通过在输出端施加短路，OVLD保护停止开关操作，在短路移除后恢复。

 

智能集成简化了汽车应用的复杂性，确保了成本效益和高性能的解决方案。无缝结合DC/DC转换器等组件，优化了高频、高压环境中的效率，最小化了开关损耗。

 

安全至关重要，过流和温度保护增强了应用设计的可靠性。此外，软启动和过载保护等功能确保了正确的应急电源选择，突显了智能集成在汽车创新中的关键作用。

 

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