基于GaN器件車用電源變換器的分析和設計

摘要：電動汽車上低壓用電設備的功率日趨提高，對于車載電源轉換器的要求越來越高，采用GaN器件設計車用低壓混合供電系統用電源變換器更符合未來發展趨勢。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，給出了參數選擇原則，設計控制和驅動電路。經損耗分析，結果表明，采用GaN器件可有效提高變換器的效率。

關鍵詞：GaN；同步整流技術；車用電源變換器；損耗分析

中圖分類號：TM46；TN30文獻標志碼：A

0 引言

作為交通方式的創新選擇，電動汽車展現出高效能源利用、對環境的關愛及對未來可持續發展的特點，是汽車業未來發展的方向，具有廣闊的發展前景。電氣系統是電動汽車的重要組成部分，可分為高電壓系統和低電壓系統。其中，通過采用14 V或48 V的直流低電壓系統，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、高壓電氣設備的控制電路以及輔助組件提供穩定的電源。

電動汽車上低壓用電設備的功率日趨提高，14 V/48 V混合供電系統成為目前主要低壓供電系統。由于車上空間有限而且車載工況環境惡劣，對于車載電源轉換器而言，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準等多方面的要求。

縱觀電力電子技術的發展，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展迅猛。采用寬禁帶半導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勢，包括承受更高電壓、顯著降低通態電阻、提高導熱性能和熱穩定性以及增強抗高溫和抗輻射能力。性能的提升在很多方面均呈指數級別。寬禁帶功率器件開關速度更快，能以更高的開關頻率工作，可以顯著減小變換器尺寸。因此，本文采用GaN器件設計車用低壓混合供電系統用電源變換器。

1 電路拓撲選擇

同步整流技術是采用通態電阻極低的MOS管來取代整流二極管，以降低損耗的技術。同步整流變換器適用于低壓大電流輸出場合，可提高轉換效率［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用電源變換器的具體電路拓撲，具體結構如圖1所示。圖中，Vin是輸入電壓，Vo是輸出電壓。V1是GaN開關管，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 主電路設計

變換器的技術指標：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。開關管V1電流有效值為：

式中，D為占空比，D=Vo/Vin。根據經驗，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%，當電感波紋電流取最大值ΔIo=0.2Io時，輸出濾波電感應滿足：

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，為滿足輸出紋波電壓要求，輸出濾波電容應滿足：

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

3 控制驅動電路設計

3.1 控制電路

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

3.2 驅動電路

V1、V2的驅動電路采用LM5113驅動芯片，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、關斷驅動電阻，R1、R2分別為V1、V2的柵極電阻。本設計Rg（on）和Rg（off）分別取10 Ω和1 Ω。

4 開關管的損耗計算

4.1 開關損耗

開關管的柵極驅動損耗、開啟與關斷損耗以及電容損耗均由高頻開關導致。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行導電，從而避免了反向恢復損耗問題。這些損耗可以在開關損耗分析中一并考慮。

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

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為柵極驅動電壓。

在開啟開關管時，首先柵極驅動芯片需要先對Cgs進行充電，當充電電荷量達到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，因此沒有損耗產生。接著，繼續充電到米勒平臺電壓Up1，充電電荷量為Qgs2（Qgs2=Qgs-Qgs1），此階段產生的損耗為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，關斷過程所產生的損耗為：

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

Poss=0.5U2dsCoss·fs（9）

GaN HEMT開關管V1的開關損耗為：

Psw-V1=Pg1+Pon+Poff+Poss（10）

同步整流管V2可以實現零電壓開關，其開關損耗可以忽略不計。

4.2 通態損耗

在Buck變換器中，當工作在連續電流模式下時，電感電流傅里葉級數為：

在開通過程中，V1、V2由于導通電阻Rds（on）產生了導通損耗。流經器件的電流包括直流負載電流（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的，因此他們的導通和關斷過程是相反的。V2的導通和關斷損耗可以使用與V1相同的公式進行計算：

Pc-V2=（I2o+I2o－ac）Rds（on）2（1-D）（13）

為了避免Buck變換器中兩個開關管同時開啟而導致的電路穿通，通常會設置一定的死區時間tsd。在這段時間內，變換器的電流仍在繼續流動，但此時V2將會反向導通，產生一定的反向導通損耗，類似于MOSFET中的體二極管效應［1］。其反向導通損耗為：

Psd-V2=Usd·Ids（off）·tsd·fs（14）

式中，Usd為V2反向導通壓降。

4.3 開關管的損耗

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，開關管的損耗更低，可有效提高變換器的效率。

5 結語

由于電動汽車對環境友好，其應用前景被廣泛看好。為適應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用電源變換器的設計。變換器采用基于GaN器件的同步整流降壓變換器，設計包括GaN器件的選型、控制和驅動電路。詳細分析開關管損耗，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，符合未來發展的趨勢。

參考文獻

［1］羊志強，徐大偉，李新昌，等.基于GaN HEMT同步整流Buck變換器研究［J］.電力電子技術，2017（9）：20-23.

［2］劉文昊.大電流同步整流Buck型DC/DC轉換器的設計［D］.西安：西安電子科技大學，2011.

［3］肖捷. GaN器件的開關特性研究及其串擾抑制驅動電路設計［D］.長沙：湖南大學，2021.

［4］秦海鴻，趙照會，荀倩，等.寬禁帶電力電子器件原理與應用［M］.北京：科學出版社，2020.

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