电动汽车中的DC-DC参考设计

题记：EPC9165参考设计板由采用QFN封装的EPC2302 GaN FET组成，该封装采用EPC最新一代100 V GaN技术。

EPC与MPS合作，宣布推出EPC9165，这是一款2 kW、两相48V–14V双向转换器，峰值效率高达97 %，尺寸小。该解决方案适用于高密度、高功率的48V电池组，例如电动汽车市场。根据EPC，系统是可扩展的；对于4 kW，可以并联两个变换器，对于6 kW，可以并联三个变换器；或者对于1 kW，只能采用一相。新闻稿中报道的该应用的输出电压为14伏。然而，该架构可以改变，以支持12至36伏的宽输入范围，因为它是一种具有稳定输出的硬开关拓扑结构。兼容的控制器模块(EPC9528)包括微芯片dsPIC33CK256MP503 16位数字控制器。大多数模拟控制与GaN FETs不兼容，需要额外的电路来匹配栅极驱动器行为。数字解决方案提供了一种简单有效的方法来实现高级电源和温度保护特性。此外，数字控制，如dSPIC33CK，可以轻松地动态调整停机时间，并将设计从单相扩展到多相。

EPC战略营销副总裁Cecilia Contenti表示，48V–12v双向转换器或降压或升压转换器常见于电动汽车、微型电动汽车、轻型移动应用，功率为2-2.5 kW，以及功率高达4 kW的轻度混合动力汽车。一个例子是“城市汽车”，其功率为2千瓦。与限制为100 kHz的Si MOSFET解决方案相比，GaN解决方案可以在500 kHz下工作，同时允许每相更多的功率(由于在相同的电感外形尺寸下电感值更小，电流更高)。总的来说，该解决方案体积小了58%，重量轻了58%，效率高于97%的峰值，而硅MOSFET(具有相同类型的电感)的峰值为95%，并且由于GaN的出色散热和效率，不需要水冷。

电路板特性

EPC9165参考设计板由采用QFN封装的EPC2302 GaN FET组成，该封装采用EPC最新一代100 V GaN技术。该设备提供大约101 A的连续电流和408 A的脉冲电流。该封装在散热器处提供0.2 degC/W热阻，典型RDS(on)为1.4 mOhm，典型QG为23 nC。

热量管理对于确保适当和一致的操作至关重要。即使安装了散热器，该模块也需要足够的冷却才能在整个指定输出电流范围内运行。根据EPC，安装散热器是将产生的热量充分散发到环境中所必需的。如指南中所述，Wakefield 567-94AB散热器可以安装板上1 mm高的SMD螺纹(M2)垫片，在fet和散热器之间留出0.3 mm的间隙。导热率高。厚度为0.5毫米的T-Global A1780 TIM在0.3毫米的间隙中提供了强大的导热性。预安装的散热器和TIM材料将为测试提供适当的冷却作用(图2)。

图1:电路板的俯视图和仰视图(来源:EPC)

EPC9165参考设计还包括专门针对GaN FETs开发的新型MPS MPQ1918 100V半桥驱动器。MPQ1918采用3x3mm FCQFN封装，峰值电流为1.6A，下拉/上拉电阻为0.2ω/1.2ω，支持高功率fet。

图2:TIM和散热器的图示

图3、EPC9165板的功能框图概述

为了优化性能，应该有一个针对以下方面优化的驱动程序氮化镓器件许多公司都在提供GaN优化的驱动程序。优化包括:5V栅极驱动电压，高端自举电压“箝位”以避免自举电容器过度充电至大于6V，相位节点引脚能够承受约-3V的负电压，欠压锁定设置为3.6 V用于禁用，4.0 V用于启用，开关节点的高dv/dt能力:> 100 V/ns典型值，可能需要高达200V/ns；理想情况下，死区管理时间少于10 ns，”Contenti说。此外，根据EPC的说法，采用MPS 100 V栅极驱动器不仅可以提高功率密度，还可以简化电动汽车等关键环境中的设计。

EPC9165包括5 V和3.3 V逻辑电源，它还通过edge连接器向控制器卡供电。输出电感电流和输入电流均使用0.2mω检测电阻和50 V/V放大器测量。因此，电流检测增益为0.01 V/A，输入和输出电压使用电阻分压网络(100 k和5.36 k)测量，增益为0.05087。

在主滤波器电感器和低压端子之间放置了一个分流器。由于电流较高，因此仅使用200ω的极低电阻，在不影响信噪比的情况下尽可能降低损耗。分流电压通过一个高共模电压(65V)分流放大器放大，这样可以减少元件数量，占据最小面积，并为转换器提供足够的带宽。由于开关频率较高，分流电阻的电感成为设计中的一个重要因素，尤其是电流返回路径。我们特别注意将布局布线中的电感降至最低，并通过使用无源集成技术以类似于DCR电流检测技术的方式消除该电感，从而对其进行进一步补偿。完整的组合产生了一个高性能电流检测系统，当与数字控制器结合时，可以轻松超过8 kHz控制带宽。