GaN 与功率转换
　　设计汽车转换器时，尺寸、成本和可靠性是关键因素。为了满足这些标准，选择简单的双向拓扑结构：同步降压/反向升压转换器。限度提高能效也至关重要，在这里，设计人员可以利用氮化镓 (GaN) 技术实现比使用传统硅功率晶体管高得多的效率。氮化镓具有极高的电子迁移率和低温度系数，这使功率晶体管具有非常低的导通电阻 (R ON )，从而限度地减少了导通状态的传导损耗。横向晶体管结构还可实现极低的栅极电荷 (Q G ) 和零反向恢复电荷 (Q RR )。此外，GaN FET 的输出电容 (C OSS ) 也比同类 MOSFET低得多[1]。
　　适用于 48 V 应用的 GaN FET 的品质因数 (芯片面积 x R ON ) 比类似 MOSFET好大约四倍。对于相同的 5 V 栅极电压，GaN FET 的栅极电荷至少比硅 MOSFET 低五倍。因此，与硅 MOSFET 相比，GaN FET 可以更高效地在高开关频率下运行，从而使设计人员可以在其设计中指定更小的电容器和电感器。由于开关和导通状态下的损耗较低，散热器尺寸也可以减小，终可以实现更小、更薄的模块，或者在相同的占位面积内实现更高的额定功率。终，这为汽车设计人员提供了额外的自由，可以在当今汽车的狭小空间限制内安装更多新功能。

　　设计转换器

　　图 1 显示了 1.5 kW 双向 48 V/12 V 转换器的简化原理框图，通过并联两个转换器使其成为四相转换器，可以相对轻松地将其扩展到 3 kW。图中所示的两相设计可在 12 V 端口上以每相 62.5 A 的电流运行高达 1.5 kW。这是通过使用符合 AEC-Q101 标准的 EPC2206 eGaN（增强型 GaN）FET 实现的，该 FET 具有 2.2 mΩ R ON和 90 A 的额定峰值直流电流。两相设计还降低了电感器所需的额定电流。
　　图 1：采用 eGaN FET 的两相双向转换器的简化原理图。
　　在本设计中，电感值和开关频率使用分析损耗模型确定，以便地提高额定功率 50% 时的效率。使用如图所示的 2.2H 电感和 250 kHz 开关频率，峰值电感电流为 70 A为确保的相电流平衡，使用精密分流电阻进行电流检测比电感器 DCR 电流检测更可取。但是，额定电流超过 70 A 的分流电阻通常占用空间较大，因此寄生电感也较大，这会导致高噪声，从而使电流检测放大器饱和，从而使测量无效。解决此问题的一个简单方法是添加一个具有匹配时间常数的 RC 滤波器网络来抵消分流电感。此设计使用带宽为 500 kHz 且增益为 50 V/V 的电流检测放大器，与 200 ?Ω 分流电阻一起使用时，总电流检测增益为 10 mV/A。
　　确保两相之间的对称布局也至关重要，这样才能平衡相电流，并尽量减少由于栅极驱动延迟、开关转换速度、过冲或其他参数不匹配而导致的任何影响。使用 GaN 功率器件进行设计时，内部垂直环路 [2] 方法是将去耦电容器放置在靠近 FET 的位置，并在其下方放置一个实心接地平面。为此应用选择的微控制器具有高分辨率 PWM 模块，可控制占空比和 0.25 ns 的死区时间，从而可以对其进行优化，以充分利用 GaN FET 的性能。

　　降压和升压模式均采用数字平均电流模式控制。控制框图如图 2 所示。两个独立电流环路使用相同的电流基准 I REF可将两个电感中的电流调节为相同值。两个内部电流环路的带宽设置为 6 kHz，外部电压环路带宽设置为 800 Hz。

　　图2：数字平均电流模式控制图
　　GaN FET 需要散热器才能在 1.5 kW 的全输出功率下工作。使用标准的市售 1/8 砖散热器。PCB 上安装了四个金属垫片，为散热器安装提供适当的间隙。在 FET 和散热器之间应用了导热系数为 17.8 W/mK 的电绝缘热界面材料 (TIM)。
　　性能分析

　　图 3 显示了 EPC9137 [5] 转换器的照片。安装散热器和 1700 LFM 气流后，转换器在 48 V 输入、13.8 V 输出下运行，并在 250 kHz 和 500 kHz 下进行测试。

　　图 3：带有 EPC2206 GaN FET 的 EPC9137 转换器的照片。

　　图 4 显示了效率结果。在 250 kHz 下，使用 2.2 H 电感器，转换器实现了 97% 的峰值效率。在 500 kHz 下工作时，使用 1.0 H 电感器，峰值效率为 95.8%。

　　图 4： EPC9137 在 250 kHz 和 500 kHz、48 V 输入和 13.8 V 输出时测量的转换器效率。

　　EPC9137 转换器还在 13.8 V 输入和 48 V 输出下进行了升压模式运行测试，如图 5 所示。

　　图 5：在 250kHz、13.8 V 输入和 48 V 输出时测量的 EPC9137 转换器效率。
　　在满载情况下，EPC eGaN FET 可在 250 kHz 开关频率下以 96% 的效率运行，可实现 750 W/相，而硅基解决方案则因 100 kHz 开关频率下电感器电流的限制而仅限于 600 W/相。
　　结论
　　汽车制造商面临着加快汽车电气化步伐的需求，既要在市场上竞争，也要满足日益严格的环境法规。这个双向 DC-DC 转换器的设计示例展示了 EPC 的汽车级 eGaN FET（例如 EPC2206）如何帮助集成 48 V 总线，从而为耗电负载供电并满足整个车辆不断增长的电力需求。在 48 V 和 12 V 域之间传输电力时，EPC9137 转换器在 250 kHz 开关频率下可实现超过 96% 的效率，在 500 kHz 下可实现超过 95% 的效率。