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

隨著電動汽車行業的不斷發展，APM的設計正面臨著更為嚴苛的挑戰。這些問題包括需要更高的額定功率、更寬的電壓范圍、更強的可靠性以及更高的功率密度，同時還要保持高效的運行。

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

智能氮化鎵(Smart GaN)

全球汽車市場的顯著增長正推動對先進電子元件的需求。這要求開發高度集成的智能系統解決方案。氮化鎵技術以其智能和集成功能為特點，提供了一個引人注目的解決方案。特別是，氮化鎵在高頻域內展現出卓越的開關性能，使其非常適合電動汽車行業不斷變化的格局。氮化鎵解決方案的集成有望為新一代智能、高效且面向未來的電動汽車鋪平道路。

集成智能氮化鎵技術將單片功率級與驅動和控制電路相結合，為現代電力電子應用帶來了顯著優勢。這種創新方法通過最小化寄生電感，促進了緊湊的設計，從而實現了更高的效率和更低的系統成本。此外，集成的氮化鎵解決方案還通過減少外部元件數量簡化了系統架構，提高了可靠性，并降低了總體系統成本。

設計中使用的智能氮化鎵IC是一款650伏eGaN功率級，帶有驅動器和保護功能的QFN封裝。IC的主要技術特性包括：

·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

·典型導通電阻(RDS(on))：190/410毫歐

芯片的內部框圖和引腳排列如圖1所示，包括電流模式控制、可調軟啟動、開啟dV/dt和高達500 kHz的快速開關能力等功能。為了減小板尺寸并提高功率密度，選擇了230至250 kHz的特定開關頻率作為標稱換向率。

智能氮化鎵IC集成了多種保護功能，旨在增強系統可靠性和確保安全運行。這些功能包括：

過溫保護：當系統達到不安全的操作溫度時，此保護自動關閉系統，防止熱失控和潛在損壞。

過流限制：此保護限制系統內的電流流動，防止可能導致組件故障的過電流負載。

輸出過載保護與間歇模式：在輸出過載的情況下，系統進入“間歇模式”，以受控速率循環開關，直到過載情況解決。這保護系統免受損壞，同時允許在正常操作條件下自動恢復。

輸出過壓保護與突發模式：此功能防止電壓尖峰超過指定的輸出限制。在這種情況下，系統進入“突發模式”，提供短時功率脈沖以維持功能，同時防止過壓事件造成的損壞。

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

演示板

圖2展示了組裝的應用演示板。靠近QFN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網絡(C5和R4)。在反激式轉換器的次級側是鉗位網絡，由R9、C6和D3組成。反饋電路包括一個光耦合器(U2)和一個可調分流電壓基準(D1)。T1是Würth Elektronik 750343808反激式變壓器。

對于PCB，選擇了四層堆疊結構，具體如下：

第1層：主電源路徑

第2層：電源地

第3層：信號地

第4層：反饋環路

性能測量

演示板的性能已通過施加VIN = 400伏輸入電壓和fSW = 230 kHz開關頻率進行測量，以及其他根據具體測試描述的參數。目標輸出電壓為VOUT = 15伏。

突發模式和DCM開關

在IOUT = 0.05 A時獲得的突發模式開關波形如圖3所示。這些波形顯示了在輕載電流高達0.4°時的突發模式操作，此時正常操作開始。

在IOUT = 1°時獲得的不連續導通模式(DCM)開關波形如圖4所示。漏源電壓(VDS)的振蕩和額外的電壓平臺是由變壓器磁化電感和反射電壓產生的。

在連續導通模式(CCM)下，轉換器的平均總功率損耗(開關和導通)已測量為2.2瓦，下降時間為5.6納秒，IOUT = 4.5 A。在CCM模式下運行時，設備可以提供高達68瓦的輸出功率，確保效率為87.23%。

在動態負載變化(IOUT從1 A到3 A變化)下，轉換器保持良好的穩定性。對于較小的負載電流(IOUT從0.05 A到1 A變化)，轉換器輸出電壓水平沒有明顯變化(約450 mV)。

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

過溫保護功能已通過外部加熱設備進行測試。之后，由于OTP檢測，開關操作在175°C時被抑制，并在溫度下降時重新啟用。

同樣，通過在輸出端施加短路，OVLD保護停止開關操作，在短路移除后恢復。

智能集成簡化了汽車應用的復雜性，確保了成本效益和高性能的解決方案。無縫結合DC/DC轉換器等組件，優化了高頻、高壓環境中的效率，最小化了開關損耗。

安全至關重要，過流和溫度保護增強了應用設計的可靠性。此外，軟啟動和過載保護等功能確保了正確的應急電源選擇，突顯了智能集成在汽車創新中的關鍵作用。

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