基于 GaN 的 Dickson 轉(zhuǎn)換器提高 EV 效率

電動(dòng)汽車 (EV) 電力需求的增加已將傳統(tǒng)的 12V 系統(tǒng)推至其最大容量 3 kW。因此，開發(fā)了一個(gè)補(bǔ)充 48-V 網(wǎng)絡(luò)。1,2 48V 總線和內(nèi)核電壓之間的高壓轉(zhuǎn)換比（范圍為 0.8V 至 1.2V）凸顯了對能夠支持寬輸入電壓范圍（24V 至 54V）的高效電源架構(gòu)的需求) 3同時(shí)滿足自主微控制器的嚴(yán)格供應(yīng)要求。4本文展示了一種基于 GaN 的六比一混合 Dickson 轉(zhuǎn)換器，用于汽車應(yīng)用中的 48V 至 1V 直接轉(zhuǎn)換，具有快速瞬態(tài)響應(yīng)。更多詳情，請閱讀原文。

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不同的電源轉(zhuǎn)換架構(gòu)

在現(xiàn)代電動(dòng)汽車中，功率轉(zhuǎn)換范圍從 48 V 到 0.8 V。這需要一個(gè)高效的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以根據(jù)汽車控制器對各種輸入范圍的要求提供精確的輸出電壓。有兩種不同的方法可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)：

多級架構(gòu)

單級架構(gòu)

多級電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)具有級聯(lián)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，使用小型器件，開關(guān)速度快，電壓要求低。1,2這種技術(shù)對汽車的性能有積極的影響。

單級電源轉(zhuǎn)換是一種單級 DC/DC 電源轉(zhuǎn)換技術(shù)，它利用先進(jìn)的 GaN 半導(dǎo)體器件，可提供更高的效率，但需要先進(jìn)的控制系統(tǒng)來提供精確的瞬態(tài)電壓。3–5與基于變壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，混合開關(guān)電容器 (SC) 轉(zhuǎn)換器由于電容器的能量密度更高，因此外形更小。在 SC 拓?fù)渲?，混?Dickson 轉(zhuǎn)換器提供最佳的開關(guān)利用率。

圖 1：6 比 1 混合 Dickson 轉(zhuǎn)換器

混合 Dickson 轉(zhuǎn)換器

混合 Dickson 轉(zhuǎn)換器是一種單級轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，它使用基于電容器的 QFF 電流控制方案。QFF 使用鎖相環(huán) (PLL) 來實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)響應(yīng)和自平衡輸出。它的輸入范圍為 24 V 至 54 V，并提供 0.8 V 至 48 V 的輸出。它具有不同的頻率范圍，例如 500 kHz、750 kHz 和 1 MHz。在圖 1 中，您可以看到基于 GaN 的六比一混合 Dickson 轉(zhuǎn)換器。上圖所示的紅色 PCB 是主電源板。它安裝了不同的 GaN 半導(dǎo)體器件（EPC 2001C、EPC 2015C、EPC 2023 和 EPC 2032）。綠色 PCB 有一個(gè)基于 FPGA 的控制器，用于控制 Dickson 轉(zhuǎn)換器的整個(gè)操作。其余電路位于藍(lán)色 PCB 中，包括不同類型的過濾器。

效率和負(fù)載瞬變

實(shí)驗(yàn)表明，混合 Dickson 轉(zhuǎn)換器的效率隨著負(fù)載的增加（例如，在 12.5 A 的負(fù)載下）而降低。它實(shí)現(xiàn)了 93% 的效率，在 40-A 負(fù)載下降至 84%。7在24 V的最小 V IN下運(yùn)行，輕負(fù)載時(shí)的效率明顯更高，在 5 A 時(shí)達(dá)到 96.8 %。這是由于降低了與負(fù)載無關(guān)的損耗，例如器件輸出電容損耗和電感紋波電流較低輸入電壓。

對從 24 V 到 54 V 的大輸入電壓升壓的響應(yīng)的上升時(shí)間為 1.97 ms。隨著輸入電壓的增加，輸出電壓紋波會增加。飛跨電容動(dòng)態(tài)首先失衡，然后在 9 ms 內(nèi)穩(wěn)定下來。

QFF 結(jié)果表明 PLL 補(bǔ)償了由施加到輸出電感器的較高伏秒產(chǎn)生的較長開關(guān)周期。較小輸入降壓瞬變的下降時(shí)間為 8.51 ms。恒定導(dǎo)通時(shí)間平衡系統(tǒng)檢測飛跨電容器電壓的微小不平衡，并在 6 ms 內(nèi)進(jìn)行調(diào)整。

結(jié)論

這項(xiàng)工作使用電容器谷值電流 QFF 控制方法來演示基于 40W GaN 的六對一混合 Dickson 轉(zhuǎn)換器的快速瞬態(tài)響應(yīng)能力，用于 48V 到 1V 的直接轉(zhuǎn)換。根據(jù)測量結(jié)果，所提出的方案能夠?qū)崿F(xiàn)具有接近偏差的最佳瞬態(tài)響應(yīng)的快速動(dòng)態(tài)行為，通過消除電感電流感應(yīng)電阻損耗來提高系統(tǒng)效率，并提供快速電容器電壓的自平衡，而無需額外的控制考慮。

審核編輯 黃昊宇