摘要：電動汽車上低壓用電設(shè)備的功率日趨提高，對于車載電源轉(zhuǎn)換器的要求越來越高，采用GaN器件設(shè)計車用低壓混合供電系統(tǒng)用電源變換器更符合未來發(fā)展趨勢。文章選擇適用于低壓大電流輸出場合的同步整流BUCK變換器作為主電路，給出了參數(shù)選擇原則，設(shè)計控制和驅(qū)動電路。經(jīng)損耗分析，結(jié)果表明，采用GaN器件可有效提高變換器的效率。

關(guān)鍵詞：GaN；同步整流技術(shù)；車用電源變換器；損耗分析

中圖分類號：TM46；TN30文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

作為交通方式的創(chuàng)新選擇，電動汽車展現(xiàn)出高效能源利用、對環(huán)境的關(guān)愛及對未來可持續(xù)發(fā)展的特點，是汽車業(yè)未來發(fā)展的方向，具有廣闊的發(fā)展前景。電氣系統(tǒng)是電動汽車的重要組成部分，可分為高電壓系統(tǒng)和低電壓系統(tǒng)。其中，通過采用14 V或48 V的直流低電壓系統(tǒng)，車輛能夠滿足日常低壓電器如燈具和雨刷的供電需求，同時為整車控制單元、高壓電氣設(shè)備的控制電路以及輔助組件提供穩(wěn)定的電源。

電動汽車上低壓用電設(shè)備的功率日趨提高，14 V/48 V混合供電系統(tǒng)成為目前主要低壓供電系統(tǒng)。由于車上空間有限而且車載工況環(huán)境惡劣，對于車載電源轉(zhuǎn)換器而言，要滿足尺寸緊湊、輕量化、高效能、良好的密封自然散熱性能以及較高的安全標(biāo)準(zhǔn)等多方面的要求。

縱觀電力電子技術(shù)的發(fā)展，硅基功率器件的性能已接近極限。近十多年來，以氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）為代表的寬禁帶功率器件——第三代電力電子器件發(fā)展迅猛。采用寬禁帶半導(dǎo)體材料制造的電力電子器件在多個方面相較于硅器件有顯著的性能優(yōu)勢，包括承受更高電壓、顯著降低通態(tài)電阻、提高導(dǎo)熱性能和熱穩(wěn)定性以及增強(qiáng)抗高溫和抗輻射能力。性能的提升在很多方面均呈指數(shù)級別。寬禁帶功率器件開關(guān)速度更快，能以更高的開關(guān)頻率工作，可以顯著減小變換器尺寸。因此，本文采用GaN器件設(shè)計車用低壓混合供電系統(tǒng)用電源變換器。

1 電路拓?fù)溥x擇

同步整流技術(shù)是采用通態(tài)電阻極低的MOS管來取代整流二極管，以降低損耗的技術(shù)。同步整流變換器適用于低壓大電流輸出場合，可提高轉(zhuǎn)換效率［1-2］。同步整流BUCK變換器作為電動汽車用低壓混合供電系統(tǒng)用電源變換器的具體電路拓?fù)洌唧w結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中，Vin是輸入電壓，Vo是輸出電壓。V1是GaN開關(guān)管，V2是GaN同步整流管，Lf、Cf 分別為輸出濾波電感和輸出濾波電容。

2 主電路設(shè)計

變換器的技術(shù)指標(biāo)：輸入電壓Vin=48 V；輸出電壓Vo=14 V；輸出電流Io=5 A；最大輸出紋波電壓ΔV=200 mV；工作頻率fs=200 kHz。

2.1 開關(guān)管選擇

由同步整流變換器的工作原理可知，V1、V2承受的最大電壓都為輸入電壓Vin。開關(guān)管V1電流有效值為：

式中，D為占空比，D=Vo/Vin。根據(jù)經(jīng)驗，一般取r=0.4。計算可得，Irms-V1=2.71 A。

同步整流管V2的電流有效值為：

計算可得，Irms-V2=4.23 A。

V1、V2選用GaN Systems公司的增強(qiáng)型氮化鎵晶體管GS61004B。Uds=100 V，Ids=38 A，Rds（on）=16 mΩ。

2.2 濾波電感的設(shè)計

電感紋波電流即電感電流波形中峰峰值，一般要求小于輸出電流的20%，當(dāng)電感波紋電流取最大值ΔIo=0.2Io時，輸出濾波電感應(yīng)滿足：

計算可得，Lf=49.58 μH。

2.3 濾波電容的選擇

濾波電容工作在周期性充、放電狀態(tài)，為滿足輸出紋波電壓要求，輸出濾波電容應(yīng)滿足：

計算可得，Cf=3.13 μF。實際應(yīng)用中，考慮寄生參數(shù)的影響，選用的電容值應(yīng)該要比計算的電容值大，取100 μF/25 V電解電容和1 μF高頻電容并聯(lián)使用。

3 控制驅(qū)動電路設(shè)計

3.1 控制電路

采用SG3525控制芯片和4049反相器提供兩路互補(bǔ)的PWM控制信號PWMH和PWML。

3.2 驅(qū)動電路

V1、V2的驅(qū)動電路采用LM5113驅(qū)動芯片，如圖2所示［3-4］。圖中，C1為電源VDD的濾波電容，C2為自舉電容。Rg（on）、Rg（off）分別為柵極開通、關(guān)斷驅(qū)動電阻，R1、R2分別為V1、V2的柵極電阻。本設(shè)計Rg（on）和Rg（off）分別取10 Ω和1 Ω。

4 開關(guān)管的損耗計算

4.1 開關(guān)損耗

開關(guān)管的柵極驅(qū)動損耗、開啟與關(guān)斷損耗以及電容損耗均由高頻開關(guān)導(dǎo)致。GaN HEMT不同于MOSFET和共源共柵GaN器件，由于其無須依賴體二極管而利用二維電子氣進(jìn)行導(dǎo)電，從而避免了反向恢復(fù)損耗問題。這些損耗可以在開關(guān)損耗分析中一并考慮。

在每個周期，驅(qū)動芯片都需要對柵源極間電容Cgs和柵漏極間電容Cgd進(jìn)行充放電。所以，V1和V2的柵極驅(qū)動損耗分別為：

Pg1=Qg1·ugs·fs（5）

Pg2=Qg2·ugs·fs（6）

式中：Qg1、Qg2分別為V1、V2的柵極電荷；ugs為柵極驅(qū)動電壓。

在開啟開關(guān)管時，首先柵極驅(qū)動芯片需要先對Cgs進(jìn)行充電，當(dāng)充電電荷量達(dá)到Qgs1（Qgs1=QG（th）時，ugs從零開始上升到閾值電壓Uth，這個階段幾乎沒有漏電流流過器件，因此沒有損耗產(chǎn)生。接著，繼續(xù)充電到米勒平臺電壓Up1，充電電荷量為Qgs2（Qgs2=Qgs-Qgs1），此階段產(chǎn)生的損耗為Pon1。隨后，Cgd開始放電，ugs維持在Up1，放電電荷量為Qgd，此階段漏源極間電壓由uds減為0，產(chǎn)生的損耗為Pon2。因此，總的開啟損耗可以表示為兩個階段損耗之和［1］：

同理，關(guān)斷過程所產(chǎn)生的損耗為：

GaN HEMT開關(guān)管輸出電容Coss為柵源極間電容Cgs和漏源極間電容Cds之和，在開關(guān)過程中，這兩個電容的損耗為：

Poss=0.5U2dsCoss·fs（9）

GaN HEMT開關(guān)管V1的開關(guān)損耗為：

Psw-V1=Pg1+Pon+Poff+Poss（10）

同步整流管V2可以實現(xiàn)零電壓開關(guān)，其開關(guān)損耗可以忽略不計。

4.2 通態(tài)損耗

在Buck變換器中，當(dāng)工作在連續(xù)電流模式下時，電感電流傅里葉級數(shù)為：

在開通過程中，V1、V2由于導(dǎo)通電阻Rds（on）產(chǎn)生了導(dǎo)通損耗。流經(jīng)器件的電流包括直流負(fù)載電流（平均值為Io）和紋波電流（有效值為Io-ac）兩部分。

因此，V1的通態(tài)損耗可以表示為：

Pc-V1=（I2o+I2o－ac）Rds（on）1D（12）

由于V2與V1在Buck變換器的工作中是互補(bǔ)的，因此他們的導(dǎo)通和關(guān)斷過程是相反的。V2的導(dǎo)通和關(guān)斷損耗可以使用與V1相同的公式進(jìn)行計算：

Pc-V2=（I2o+I2o－ac）Rds（on）2（1-D）（13）

為了避免Buck變換器中兩個開關(guān)管同時開啟而導(dǎo)致的電路穿通，通常會設(shè)置一定的死區(qū)時間tsd。在這段時間內(nèi)，變換器的電流仍在繼續(xù)流動，但此時V2將會反向?qū)?，產(chǎn)生一定的反向?qū)〒p耗，類似于MOSFET中的體二極管效應(yīng)［1］。其反向?qū)〒p耗為：

Psd-V2=Usd·Ids（off）·tsd·fs（14）

式中，Usd為V2反向?qū)▔航怠?/p>

4.3 開關(guān)管的損耗

V1的損耗：

PV1=Pc-V1+Psw-V1（15）

V2的損耗：

PV2=Pg1+Pc-V2+Psd-V2（16）

經(jīng)計算，V1、V2的總損耗為0.67 W。若采用Si材料的MOSFET（以Infineon公司IRF3007s為例），經(jīng)計算可得總損耗為1.02 W。對比可得，GaN HEMT具有極間電容小、柵極電荷少的特點，開關(guān)管的損耗更低，可有效提高變換器的效率。

5 結(jié)語

由于電動汽車對環(huán)境友好，其應(yīng)用前景被廣泛看好。為適應(yīng)電動汽車的低壓供電功率不斷提高的需求，本文介紹低壓混合供電系統(tǒng)用電源變換器的設(shè)計。變換器采用基于GaN器件的同步整流降壓變換器，設(shè)計包括GaN器件的選型、控制和驅(qū)動電路。詳細(xì)分析開關(guān)管損耗，采用GaN器件可有效提高變換器的效率，車載電源變換器必須滿足體積小、重量輕、效率高等要求，符合未來發(fā)展的趨勢。

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Analysis and design of vehicle power converter based on GaN devices

CaiJiahao， MaZongming， WangJiangang*

（Department of Electrical Engineering，Yancheng Institute of Technology， Yancheng 224051， China）

Abstract： The power of low-voltage electrical equipment on electric vehicles is increasing day by day， and the requirements for on-board power converters are becoming higher and higher. The use of GaN devices to design power converters for low-voltage hybrid power supply systems for vehicles is more in line with future development trends. The main circuit selects a synchronous rectification BUCK converter suitable for low-voltage and high-current output applications. The parameter selection of the converter is provided， and the control and drive circuits are designed. Switching loss analysis is also conducted， result proves that GaN devices can effectively improve the efficiency of the converter.

Key words： GaN; synchronous rectification technology; vehicle power converter; loss