汽车电力电子系统为什么选择48V？

【编者按】麦姆斯咨询整理了宜普电源转换公司（EPC）首席执行官Alex Lidow公开发表的关于GaN功率器件原理、应用及优势的理解，为读者奉献一系列文章。在本系列文章中，将讨论一些新兴应用如何利用GaN功率器件的优势实现终端产品差异化。

使用eGaN FET和IC实现尺寸最小、效率最高的48V向5-12V DC-DC转换

在本系列的第一篇文章中，讨论了低压硅基氮化镓（GaN-on-Silicon）功率器件如何实现许多新应用，如激光雷达（LiDAR）、包络跟踪和无线充电。这些新应用有助于为GaN器件提供强大的供应链、低生产成本和令人惊叹的可靠性记录。与GaN器件相关的基础工作，大大激励了保守的设计工程师，他们开始在主流应用中评估GaN器件，例如直流-直流（DC-DC）转换器、交流-直流（AC-DC）转换器。在本篇文章中，首先将对48V DC-DC转换器进行研究。

随着现代数据中心总线电压从12V向48V过渡，对提高48V电源转换效率和功率密度的要求越来越高。在此背景下，基于增强模式氮化镓场效应晶体管（eGaN FET）和集成电路（IC）设计的DC-DC转换器提供了一种高效率、高功率密度的解决方案。此外，归功于GaN晶体管在减小尺寸、减少重量和物料清单（BOM）成本等方面带来的优势，48V功率系统在轻度混合动力汽车、混合动力汽车和插电式混合动力电动汽车得到应用。

汽车电力电子系统为什么选择48V？

随着自动驾驶汽车的出现，以电力推进为动力的汽车技术进入了复兴期。据Yole的《自动驾驶汽车传感器-2018版》，2032年全球自动驾驶汽车的产量将达到2310万台。2035年，将有3200万辆汽车实现电力推进。两大趋势都将转化为对功率半导体需求的大幅增长。

在最新款汽车中，耗电型电气驱动功能开始出现，对48V总线电源配电的需求变得更加明显。这些功能包括自动启停车、电动转向、电动悬架、电动涡轮增压和变速空调。现在，随着自动驾驶汽车的出现，诸如激光雷达、雷达、摄像头和强大的图形处理器等系统对配电系统提出了额外的要求。图形处理器非常耗电，给传统的12V汽车配电总线额外增加了负荷。

上述应用的电力负荷日益增加，需要提供与高性能游戏系统、高性能服务器、人工智能系统甚至加密货币挖掘机（配电总线为48V）等应用类似的高功率解决方案。

现代数据中心为什么选择48V？

除了上文所提到的汽车应用需求之外，新兴的先进计算应用也需要功率更高、外形尺寸更小的功率器件。服务器市场的需求不断增加，一些最具挑战性的应用如多用户游戏系统、人工智能（AI）和加密货币挖掘机的需求也在逐渐增加。使用eGaN FET和IC为高性能计算应用构建48V DC-DC转换器，减小了尺寸，提高了效率，并降低了系统总成本。

基于GaN的功率模块EPC9205，配置为同步Buck变换器，当输入电压为48V，输出电压为12V，负载为10A，功率密度达1400W/in³。此设计可提供5V~12V的输出电压，每相输出电流为14A。

如图1所示，EPC2045额定电压为100V，导通电阻为7MΩ，能够持续负载16A的电流。此外，EPC2045的体积仅仅是硅基MOSFET的五分之一，寄生电容较低，开关速度比同类硅基功率器件快得多，即使在较高的开关频率下开关损耗也达到最低水平。

图1：EPC推出的100V eGaN功率晶体管

（逆向分析报告：《EPC增强型GaN-on-Silicon功率晶体管EPC2045》）

DrGaNPLUS功率模块EPC9205：功率密度达1400W/in³

EPC9205（图2）功率模块的结构示意图如图3所示，使用两颗EPC2045配置在同步Buck拓扑电路。如图2所示，EPC9205功率模块还搭载了uPI半导体公司的半桥栅极驱动器uP1966A，输入和输出滤波器，以及电流和温度传感器。eGaN FET的高频性能大大降低了对滤波的要求，从而降低输出滤波电感的尺寸和损耗。

图2：EPC9205开发板将功率密度提高到1400W/in³

图3：DrGaNPLUS功率模块EPC9205电路结构示意图

EPC9205性能验证

当频率为700kHz时，当电压从48V降低至12V，EPC9205在负载电流为10A时峰值效率达到96%，在气流速度为400 LFM时FET的最高温度为100℃。图4显示了负载电流为15A，输出电压为12V时的功率效率曲线。同样，EPC9205也能产生低至5V的输出电压。图5显示了在500kHz下工作时，输出电压为5~12V的效率曲线。

图4：EPC9205的输出电流与效率关系图：工作在700kHz，输入电压为48V，输出电压为12V

图5：EPC9205的输出电流与效率关系图：工作在500kHz，输入电压为48V，输出电压为12V

为了方便比对，图6将硅基MOSFET与EPC9205进行了比较。硅基MOSFET设计采用了较低的开关频率300kHz，并选择了威世（Vishay）IHLP-5050FD-01系列中容量最大的电感（5.6μH）。与硅基MOSFET的电气性能比较如图6所示。

图6：硅基MOSFET与EPC9205的电气性能比较：输入电压为48V，输出电压为12V

GaN技术：效率更高，尺寸更小，成本更低

从48V转换到5~12V的总线转换器设计，从硅基MOSFET演进到eGaN FET，改进了尺寸和成本，性能不仅不会退化，还能有所提升。基于eGaN的48V-12V Buck转换器的材料清单（BOM）产生的每瓦特成本小于0.05美元。同样的BOM可以用于输出电压低至5V的器件。

表1：基于eGaN FET的48V-12V Buck转换器物料清单

适用于EPC9205的控制器包括德州仪器（TI）的TPS53632G。当EPC9205被配置在多相电源系统中以获得更大的输出电流时，可以使用Mircochip公司的微控制器和数字信号控制器dsPIC33EP128GS704。

结论

基于eGaN FET实现48V、负载为1A的Buck转换器，已被证明可以产生5~12V的输出电压，峰值效率为96%，功率密度为1400W/in³。当输出电压为12V时，每瓦的平均成本可以低于0.05美元。eGaN FET无疑已成为更快、更高效、更低成本的半导体解决方案，可用于快速增长的高性能、高功率密度的48V应用，尤其适用于是数据中心配电和汽车应用。