在輕度混合動(dòng)力汽車(chē)中利用GaN實(shí)現雙電池管理

作者簡(jiǎn)介：John Grabowski：安森美半導體電源方案部門(mén)的首席應用和市場(chǎng)工程師，部門(mén)位于美國密歇根州安阿伯市。John Grabowski于2007年加入安森美半導體，此前他曾在福特汽車(chē)公司研究實(shí)驗室工作30年。他一直從事電路和軟件設計，應用于電氣、混合動(dòng)力汽車(chē)和汽車(chē)動(dòng)力總成系統。最近，他的團隊積極推動(dòng)將高功率半導體應用于汽車(chē)電子化。

引言

為應對氣候變化，汽車(chē)減排降油耗勢在必行。如今，許多國家/地區的法律強制要求汽車(chē)制造商做出這些改變。為實(shí)現這一目標，其中一種方式就是采用混合動(dòng)力，即在汽油或柴油車(chē)輛的傳動(dòng)鏈中添加一個(gè)由第二個(gè)電池驅動(dòng)的電動(dòng)機。

傳統的電子化采用一個(gè)高壓電池，電壓通常在300~400 V之間的，耦合至高性能電動(dòng)機。這些“全混合動(dòng)力”汽車(chē)可顯著(zhù)提高燃油效率，但也會(huì )大大增加成本和車(chē)身重量。而“插電式”混合動(dòng)力汽車(chē)，即電池通過(guò)交流電源插座充電，也具有類(lèi)似的缺點(diǎn)。

一種替代方案是“輕度混合動(dòng)力汽車(chē)”(MHEV)，它采用48 V小型電池驅動(dòng)電動(dòng)機，既可以實(shí)現更快的加速和更大的低端扭矩，同時(shí)仍能提高燃油經(jīng)濟性，并且只會(huì )適度提高成本和復雜度。輕度混合動(dòng)力系統的優(yōu)勢備受廣大消費者的青睞，據IHS Markit分析師預測，到2025年，48 V輕度混合動(dòng)力汽車(chē)將占據混合動(dòng)力汽車(chē)銷(xiāo)量中的近50%。48 V系統的成本更低，因此也對汽車(chē)制造商極具吸引力。

增加了48 V鋰離子電池意味著(zhù)MHEV為雙電壓汽車(chē)，這也造成了其獨有的設計挑戰，主要在如何在管理電池充放電循環(huán)的同時(shí)維持系統效率。在本文中，我們將討論這些挑戰，并探討使用汽車(chē)功率模塊以及基于GaN技術(shù)的新型寬帶隙晶體管能為功率轉換器帶來(lái)哪些益處。

1   48 V架構

最基本的混合動(dòng)力系統（圖1）包括電池、集成起動(dòng)發(fā)電機 (ISG) 、48 V至12 V轉換器以及1個(gè)或多個(gè)48 V負載，就如一個(gè)穩定系統。由于48 V輕度混合動(dòng)力系統保留了12 V電池和多個(gè)12 V負載，所以這些系統將在可預見(jiàn)的未來(lái)繼續采用雙電壓架構。

圖1 48 V輕度混合動(dòng)力系統

ISG負責車(chē)輛的動(dòng)力供應、車(chē)輛啟動(dòng)以及制動(dòng)期間的能源回收。

除了沒(méi)有12 V交流發(fā)電機，系統的12 V電池部分保持原樣。由于ICE中沒(méi)有12 V電源發(fā)電機，因此需要使用雙向轉換器實(shí)現48 V系統與12 V系統之間的電源轉換。

2   MHEV雙向轉換器工

該雙向轉換器具有多種工作模式。在車(chē)輛啟動(dòng)期間，ISG由48 V鋰離子電池供電。如果48 V電池電量不足或無(wú)法提供足夠的電力（例如，由于低溫），轉換器將在升壓模式下工作，利用12 V電池提供額外的啟動(dòng)電流。通常情況下，發(fā)動(dòng)機啟動(dòng)/停止功能將被禁止，直至所有系統均達到正常的工作溫度，此時(shí)車(chē)輛將開(kāi)始正常重新啟動(dòng)。

當車(chē)輛達到正常溫度并正在行駛，但無(wú)需額外加速時(shí)，轉換器將在降壓模式下工作，以便使用48 V電池為12 V電池充電，并為12 V負載供電。當需要額外電力時(shí)，轉換器將再次切換至升壓模式，以便為ICE提供補充電力，降低燃油消耗和整體排放量。

3   轉換器拓撲結構

48 V至12 V轉換器通常具有(1~3) kW的寬功率范圍。為了在此范圍內保持高能效，多級交錯式降壓-升壓轉換器是最受歡迎的選擇。

降壓拓撲結構提供壓降，在本例中為48 V至12 V的壓降，而升壓拓撲結構提供相反的功率轉換。同步拓撲結構在2種模式下使電源開(kāi)關(guān)在大部分時(shí)間內保持全開(kāi)狀態(tài)，從而提高轉換器的總體效率。

多相交錯式設計并聯(lián)連接幾個(gè)相同的轉換器相位（單相示例詳見(jiàn)圖2），以此充當單個(gè)高功率轉換器。在重載情況下，所有相位都工作，但在輕載期間，可使用電池斷路開(kāi)關(guān)關(guān)閉一些負載，從而降低損耗，提高效率。每個(gè)相位都會(huì )產(chǎn)生相位角略有不同的輸出電流，從而減少了輸出電容的紋波。使用交錯式轉換器，而非單個(gè)大型轉換器，意味著(zhù)每個(gè)相位的電流都更小，從而減少電源開(kāi)關(guān)、導體和電感上的應力（圖3）。

圖2 雙向轉換器 - 單相

圖3 交錯式配置中的多相降壓 - 升壓轉換器

此類(lèi)轉換器中的主要模塊包括電源斷路開(kāi)關(guān)、降壓-升壓半橋、電流感測級、主電感和負載斷路開(kāi)關(guān)。

同步降壓-升壓轉換器實(shí)際上是將兩個(gè)開(kāi)關(guān)電路合并成單級電路。電源開(kāi)關(guān)控制主能量轉換元件（電感）中的電流流動(dòng)。電感電流是需要控制的主要變量，因為它對確保出色的系統精度至關(guān)重要。

電感電流的方向決定了電源電流方向，從而決定了接收電流的電池。系統控制器通過(guò)生成適當的開(kāi)關(guān)模式來(lái)確定電流方向（參見(jiàn)圖4）。

圖4 基本的降壓-升壓轉換

4   轉換器設計

表1中概述了所需的主要電路元件。電源斷路級和負載斷路級都可使用分立式MOSFET或集成式MOSFET功率模塊。這些級的主要用途就是通過(guò)使用背靠背開(kāi)關(guān)配置，將每個(gè)交錯級的輸入和輸出分別與其他級以及48 V（源）和12 V（負載）電池隔離開(kāi)來(lái)。由于這些MOSFET均在浮動(dòng)電壓電勢下工作，每個(gè)器件均由具有高壓側驅動(dòng)功能的柵極驅動(dòng)器控制。MOSFET可能需要保持更長(cháng)時(shí)間的導電性，因此必須能夠100%及時(shí)導電。

表1 適用于雙電壓MHEV系統的降壓-升壓轉換器主要功能模塊

降壓-升壓級是轉換器的核心，包含兩個(gè)采用半橋配置且連接至功率電感的MOSFET器件。這些MOSFET必須由可單獨封裝或聯(lián)合封裝至雙驅動(dòng)器IC中的高壓側和低壓側柵極驅動(dòng)器控制?；蛘?，可使用小型汽車(chē)功率模塊 (APM) （如圖5中所示）實(shí)現該級。

圖5 基于汽車(chē)功率模塊的設計

安森美半導體的這款集成式功率模塊采用符合AEC要求的小型封裝，具有低熱阻、低內部電阻和更高的EMI性能。該實(shí)現中未使用電源斷路電路；對于個(gè)別的相位隔離，可以使用負載斷路電路。

主功率電感存儲每個(gè)轉換器相位的能量，并將傳輸至任一電池。轉換器控制器負責控制兩個(gè)確定電流方向的主開(kāi)關(guān)。為了使該級正常運行，必須準確地測量電流，以適當地調整主電感電流。最好使用基于分流電阻的電流感應放大器，因為其誤差極低。

通過(guò)使用高精度分流電阻，我們可以測量非常小的差分電壓，通常為幾十或幾百mV，而分流電壓本身可以在0~48 V對地電壓之間變化。這種巨大的差異意味著(zhù)，放大器必須放大較小的差分信號，并提供較高的共模電壓抑制比，同時(shí)能夠耐受高達80 V的瞬變電壓。因此，必須小心地選擇3個(gè)放大器規格：

●   共模電壓范圍（越寬越好）；

●   輸入失調電壓（越小越好）；

●   共模抑制比（越高越好）。

在傳統的運算放大器中，輸入端電壓限制在供電軌電壓±0.6 V的范圍內，因此大大限制了共模電壓范圍。近年來(lái)，專(zhuān)用的電流感應放大器提供了更大的共模電壓范圍，高達80 V。它們還提供高精度、低至10 μV的失調電壓，能支持準確度高且快速的電流監控系統。

5   使用GaN的轉換器設計

隨著(zhù)汽車(chē)應用對尺寸和效率的要求不斷提高，寬帶隙 (WBG) 器件（如安森美半導體的產(chǎn)品）成為標準硅器件的替代品。氮化鎵 (GaN) 器件可以提高效率并縮小尺寸，同時(shí)降低系統總成本。

由于GaN器件可以顯著(zhù)降低開(kāi)關(guān)損耗，因此使用GaN的降壓轉換器可實(shí)現數倍于典型硅功率晶體管的轉換速度，從而最大限度地減少了頻率范圍內可能影響AM無(wú)線(xiàn)電接收的電磁干擾。此外，GaN晶體管不存在反向恢復損耗，因此不會(huì )在硬開(kāi)關(guān)轉換期間出現大電流尖峰和功率損耗。

6   總結

隨著(zhù)大量新型輕度混合動(dòng)力汽車(chē)的普及，越來(lái)越多的汽車(chē)配備了48 V電池子系統，從而需要使用48 V至12 V轉換器。雖然可以使用許多不同的轉換器拓撲結構，但雙向交錯式同步降壓/升壓轉換器由于其簡(jiǎn)單高效性而成為使用最廣泛的結構。

該拓撲結構也可以設計為多個(gè)交錯式相位，從而能夠在較大的工作范圍內實(shí)現高效率。這一點(diǎn)非常重要，因為12 V車(chē)輛負載會(huì )隨著(zhù)時(shí)間推移出現非常大的變化，即使轉換器需要能夠在最大負載條件下工作，但它卻很少長(cháng)時(shí)間保持在此負載條件下。當負載較輕時(shí)，轉換器將關(guān)閉不必要的交錯式相位，以降低損耗，保持高效。

（注：本文刊登于《電子產(chǎn)品世界》雜志2020年11期）