電動(dòng)汽車中的輔助電源，也被稱為輔助電源模塊(APM)，是車輛不可或缺的組成部分。其主要功能是將動(dòng)力電池中的電能高效地傳輸給低壓電氣負(fù)載和12V蓄電池。

隨著電動(dòng)汽車行業(yè)的不斷發(fā)展，APM的設(shè)計(jì)正面臨著更為嚴(yán)苛的挑戰(zhàn)。這些問(wèn)題包括需要更高的額定功率、更寬的電壓范圍、更強(qiáng)的可靠性以及更高的功率密度，同時(shí)還要保持高效的運(yùn)行。

本文討論了一種基于智能氮化鎵(GaN)集成電路的高壓轉(zhuǎn)低壓隔離反激轉(zhuǎn)換器。該轉(zhuǎn)換器被設(shè)計(jì)用作電動(dòng)汽車的輔助電源，旨在在主電源出現(xiàn)故障時(shí)，為車輛的關(guān)鍵安全部件，特別是牽引逆變器，提供穩(wěn)定的供電電壓(約15-18V)。

智能氮化鎵(Smart GaN)

全球汽車市場(chǎng)的顯著增長(zhǎng)正推動(dòng)對(duì)先進(jìn)電子元件的需求。這要求開(kāi)發(fā)高度集成的智能系統(tǒng)解決方案。氮化鎵技術(shù)以其智能和集成功能為特點(diǎn)，提供了一個(gè)引人注目的解決方案。特別是，氮化鎵在高頻域內(nèi)展現(xiàn)出卓越的開(kāi)關(guān)性能，使其非常適合電動(dòng)汽車行業(yè)不斷變化的格局。氮化鎵解決方案的集成有望為新一代智能、高效且面向未來(lái)的電動(dòng)汽車鋪平道路。

集成智能氮化鎵技術(shù)將單片功率級(jí)與驅(qū)動(dòng)和控制電路相結(jié)合，為現(xiàn)代電力電子應(yīng)用帶來(lái)了顯著優(yōu)勢(shì)。這種創(chuàng)新方法通過(guò)最小化寄生電感，促進(jìn)了緊湊的設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)了更高的效率和更低的系統(tǒng)成本。此外，集成的氮化鎵解決方案還通過(guò)減少外部元件數(shù)量簡(jiǎn)化了系統(tǒng)架構(gòu)，提高了可靠性，并降低了總體系統(tǒng)成本。

設(shè)計(jì)中使用的智能氮化鎵IC是一款650伏eGaN功率級(jí)，帶有驅(qū)動(dòng)器和保護(hù)功能的QFN封裝。IC的主要技術(shù)特性包括：

·最大漏源電壓(VDSmax)：650伏

·供電電壓工作范圍(VCC)：18至36伏

·高壓供電工作范圍(VSUPPLY)：20至650伏

·典型導(dǎo)通電阻(RDS(on))：190/410毫歐

芯片的內(nèi)部框圖和引腳排列如圖1所示，包括電流模式控制、可調(diào)軟啟動(dòng)、開(kāi)啟dV/dt和高達(dá)500 kHz的快速開(kāi)關(guān)能力等功能。為了減小板尺寸并提高功率密度，選擇了230至250 kHz的特定開(kāi)關(guān)頻率作為標(biāo)稱換向率。

智能氮化鎵IC集成了多種保護(hù)功能，旨在增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性和確保安全運(yùn)行。這些功能包括：

過(guò)溫保護(hù)：當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到不安全的操作溫度時(shí)，此保護(hù)自動(dòng)關(guān)閉系統(tǒng)，防止熱失控和潛在損壞。

過(guò)流限制：此保護(hù)限制系統(tǒng)內(nèi)的電流流動(dòng)，防止可能導(dǎo)致組件故障的過(guò)電流負(fù)載。

輸出過(guò)載保護(hù)與間歇模式：在輸出過(guò)載的情況下，系統(tǒng)進(jìn)入“間歇模式”，以受控速率循環(huán)開(kāi)關(guān)，直到過(guò)載情況解決。這保護(hù)系統(tǒng)免受損壞，同時(shí)允許在正常操作條件下自動(dòng)恢復(fù)。

輸出過(guò)壓保護(hù)與突發(fā)模式：此功能防止電壓尖峰超過(guò)指定的輸出限制。在這種情況下，系統(tǒng)進(jìn)入“突發(fā)模式”，提供短時(shí)功率脈沖以維持功能，同時(shí)防止過(guò)壓事件造成的損壞。

靜電放電(ESD)保護(hù)：此集成保護(hù)屏蔽系統(tǒng)免受ESD影響，ESD是電子組件中常見(jiàn)的損壞原因。

演示板

圖2展示了組裝的應(yīng)用演示板?？拷黁FN封裝中的智能氮化鎵IC(U1)，我們可以看到用于頻率選擇的被動(dòng)網(wǎng)絡(luò)(C5和R4)。在反激式轉(zhuǎn)換器的次級(jí)側(cè)是鉗位網(wǎng)絡(luò)，由R9、C6和D3組成。反饋電路包括一個(gè)光耦合器(U2)和一個(gè)可調(diào)分流電壓基準(zhǔn)(D1)。T1是Würth Elektronik 750343808反激式變壓器。

對(duì)于PCB，選擇了四層堆疊結(jié)構(gòu)，具體如下：

第1層：主電源路徑

第2層：電源地

第3層：信號(hào)地

第4層：反饋環(huán)路

性能測(cè)量

演示板的性能已通過(guò)施加VIN = 400伏輸入電壓和fSW = 230 kHz開(kāi)關(guān)頻率進(jìn)行測(cè)量，以及其他根據(jù)具體測(cè)試描述的參數(shù)。目標(biāo)輸出電壓為VOUT = 15伏。

突發(fā)模式和DCM開(kāi)關(guān)

在IOUT = 0.05 A時(shí)獲得的突發(fā)模式開(kāi)關(guān)波形如圖3所示。這些波形顯示了在輕載電流高達(dá)0.4°時(shí)的突發(fā)模式操作，此時(shí)正常操作開(kāi)始。

在IOUT = 1°時(shí)獲得的不連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)開(kāi)關(guān)波形如圖4所示。漏源電壓(VDS)的振蕩和額外的電壓平臺(tái)是由變壓器磁化電感和反射電壓產(chǎn)生的。

在連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)下，轉(zhuǎn)換器的平均總功率損耗(開(kāi)關(guān)和導(dǎo)通)已測(cè)量為2.2瓦，下降時(shí)間為5.6納秒，IOUT = 4.5 A。在CCM模式下運(yùn)行時(shí)，設(shè)備可以提供高達(dá)68瓦的輸出功率，確保效率為87.23%。

在動(dòng)態(tài)負(fù)載變化(IOUT從1 A到3 A變化)下，轉(zhuǎn)換器保持良好的穩(wěn)定性。對(duì)于較小的負(fù)載電流(IOUT從0.05 A到1 A變化)，轉(zhuǎn)換器輸出電壓水平?jīng)]有明顯變化(約450 mV)。

在開(kāi)路負(fù)載條件下(IOUT = 0 A)，輸入功率引腳已測(cè)量為600毫瓦。為了產(chǎn)生所需的VCC電壓，使用了變壓器的第三繞組。

過(guò)溫保護(hù)功能已通過(guò)外部加熱設(shè)備進(jìn)行測(cè)試。之后，由于OTP檢測(cè)，開(kāi)關(guān)操作在175°C時(shí)被抑制，并在溫度下降時(shí)重新啟用。

同樣，通過(guò)在輸出端施加短路，OVLD保護(hù)停止開(kāi)關(guān)操作，在短路移除后恢復(fù)。

智能集成簡(jiǎn)化了汽車應(yīng)用的復(fù)雜性，確保了成本效益和高性能的解決方案。無(wú)縫結(jié)合DC/DC轉(zhuǎn)換器等組件，優(yōu)化了高頻、高壓環(huán)境中的效率，最小化了開(kāi)關(guān)損耗。

安全至關(guān)重要，過(guò)流和溫度保護(hù)增強(qiáng)了應(yīng)用設(shè)計(jì)的可靠性。此外，軟啟動(dòng)和過(guò)載保護(hù)等功能確保了正確的應(yīng)急電源選擇，突顯了智能集成在汽車創(chuàng)新中的關(guān)鍵作用。

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