辅助电源，又称辅助电源模块（APM），是电动汽车中必不可少的元件。其主要功能是将电力从牵引电池高效传输到低压电气负载和 12V 电池。
随着电动汽车行业的不断发展，APM 的设计面临着越来越严峻的挑战。这些问题包括要求更高的额定功率、更宽的电压范围、更高的可靠性和更高的功率密度，同时还要保持高效运行。
本文讨论了基于智能氮化镓IC的高压至低压隔离反激式转换器。该转换器旨在用作电动汽车的辅助电源。其目的是在主电源发生故障时保证汽车安全关键部件（尤其是牵引逆变器）的稳定供电电压（约 15-18 V）。本文提供的信息来自2 月份在APEC 2024上发表的演讲。
智能 GaN
汽车市场的大幅增长推动了对先进电子元件的需求。这需要开发高度集成的智能系统解决方案。GaN 技术凭借其智能和集成功能，提供了引人注目的解决方案。值得注意的是，GaN 在高频域内表现出卓越的开关行为，使其非常适合电动汽车行业不断发展的格局。GaN 解决方案的集成有望为新一代智能、高效和面向未来的电动汽车铺平道路。
集成智能 GaN 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提供了显著的优势。这种创新方法通过限度地减少寄生电感来实现紧凑的设计，从而提高了稳健性和系统可靠性。
此外，集成智能 GaN 还具有高性能优势。其高频工作能力意味着更低的电磁干扰和更好的散热。这些综合优势使集成智能 GaN 成为下一代电力电子系统的技术。
设计中使用的智能 GaN IC 是 650 V eGaN 功率级，带有驱动器和保护装置，采用 QFN 封装。该 IC 的主要技术特性如下：
漏源电压 (V DSmax )：650 V
电源电压工作范围（V CC）：18–36 V
高压电源工作范围 (V SUPPLY ): 20–650 V
典型导通电阻 (R DS(on) )：190/410 mΩ
该芯片的内部框图和引脚分布如图 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。为了减小电路板尺寸并提高功率密度，选择了 230-250 kHz 的特定开关频率作为标称换向率。
智能 GaN IC 的内部框图。
图 1：智能 GaN IC 的内部框图（来源：Scrimizzi 等，2024 年）
智能 GaN IC 集成了一套集成保护功能，旨在提高系统可靠性并确保安全运行。这些功能包括：
过温保护：当系统达到不安全的工作温度时，此保护措施会自动关闭系统，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，防止可能导致组件故障的过大电流负载。
带断续模式的输出过载保护：如果发生输出过载，系统将进入“断续模式”，以受控速率循环开启和关闭，直到过载情况得到解决。这可保护系统免受损坏，同时允许在正常工作条件下自动恢复。
带突发模式的输出过压保护：此功能可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”，提供短时间的功率突发以维持功能，同时防止过压事件造成损坏。
静电放电 (ESD) 保护：这种集成保护可保护系统免受 ESD 的影响，ESD 是导致电子元件损坏的常见原因。
演示板
图 2 显示了组装好的应用演示板。靠近 QFN 封装中的智能 GaN IC（U1），我们可以看到用于频率选择的无源网络（C5 和 R4）。反激式转换器的次级侧是钳位网络，由 R9、C6 和 D3 组成。反馈电路包括光耦合器（U2）和可调分流电压基准（D1）。T1 是 Würth Elektronik 750343808 反激式变压器。
应用演示板。
图 2：应用演示板（来源：Scrimizzi 等，2024 年）
对于PCB，选择了四层叠层，其结构如下：
第 1 层：主电源路径
第 2 层：电源地
第 3 层：信号地
第四层：反馈回路
性能测量
演示板的性能是通过应用V IN = 400-V 输入电压和f SW = 230-kHz 开关频率以及取决于具体测试的其他参数（如下所述）来测量的。目标输出电压为V OUT = 15 V。
突发模式和 DCM 切换
图 3 显示了I OUT = 0.05 A时获得的突发模式开关波形。这些波形显示了正常运行开始时轻载电流高达 0.4° 时的突发模式操作。
图 4 显示了I OUT = 1°时获得的不连续传导模式 (DCM) 下的开关波形。漏极-源极电压 (V DS ) 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引起的。
突发模式开关波形。
图 3：突发模式开关波形（来源：Scrimizzi 等，2024 年）
DCM 开关波形。
图 4：DCM 开关波形（来源：Scrimizzi 等，2024 年）
在连续导通模式 (CCM) 下，转换器的平均总功耗（开关和导通）经测量为 2.2 W，下降时间为 5.6 ns，I OUT = 4.5 A。在 CCM 模式下运行时，该设备可提供高达 68 W 的输出功率，确保效率达到 87.23%。
对于动态负载变化（I OUT从 1 到 3 A 变化），转换器保持良好的稳定性。对于较小的负载电流（I OUT从 0.05 到 1 A 变化），没有测量到转换器输出电压水平的明显变化（约 450 mV）。
在开路负载条件下 ( I OUT = 0 A)，输入功率引脚的测量值为 600 mW。为了产生所需的 V CC电压，使用了变压器的第三绕组。
已通过外部加热设备测试了过温保护功能。此后，由于 OTP 检测，开关操作在 175°C 时被禁止，并在温度下降时再次启用。
类似地，通过在输出端施加短路，OVLD 保护会停止开关操作，当短路消除后，开关操作会恢复。
智能集成简化了汽车应用的复杂性，确保了经济高效且性能卓越的解决方案。无缝组合 DC/DC 转换器等组件可优化高频高压环境中的效率，限度地减少开关损耗。
安全至关重要，过流和温度保护可提高应用设计的可靠性。此外，软启动和过载保护等功能可确保选择正确的应急电源，凸显了智能集成在汽车创新中的关键作用。
