基于 GaN 的 Dickson 转换器提高 EV 效率

电动汽车 (EV) 电力需求的增加已将传统的 12V 系统推至其最大容量 3 kW。因此，开发了一个补充 48-V 网络。1,2 48V 总线和内核电压之间的高压转换比（范围为 0.8V 至 1.2V）凸显了对能够支持宽输入电压范围（24V 至 54V）的高效电源架构的需求) 3同时满足自主微控制器的严格供应要求。4本文展示了一种基于 GaN 的六比一混合 Dickson 转换器，用于汽车应用中的 48V 至 1V 直接转换，具有快速瞬态响应。更多详情，请阅读原文。

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不同的电源转换架构

在现代电动汽车中，功率转换范围从 48 V 到 0.8 V。这需要一个高效的功率转换系统，该系统可以根据汽车控制器对各种输入范围的要求提供精确的输出电压。有两种不同的方法可以实现这一点：

多级架构

单级架构

多级电源转换系统具有级联转换系统，使用小型器件，开关速度快，电压要求低。1,2这种技术对汽车的性能有积极的影响。

单级电源转换是一种单级 DC/DC 电源转换技术，它利用先进的 GaN 半导体器件，可提供更高的效率，但需要先进的控制系统来提供精确的瞬态电压。3–5与基于变压器的拓扑结构相比，混合开关电容器 (SC) 转换器由于电容器的能量密度更高，因此外形更小。在 SC 拓扑中，混合 Dickson 转换器提供最佳的开关利用率。

图 1：6 比 1 混合 Dickson 转换器

混合 Dickson 转换器

混合 Dickson 转换器是一种单级转换系统，它使用基于电容器的 QFF 电流控制方案。QFF 使用锁相环 (PLL) 来实现瞬态响应和自平衡输出。它的输入范围为 24 V 至 54 V，并提供 0.8 V 至 48 V 的输出。它具有不同的频率范围，例如 500 kHz、750 kHz 和 1 MHz。在图 1 中，您可以看到基于 GaN 的六比一混合 Dickson 转换器。上图所示的红色 PCB 是主电源板。它安装了不同的 GaN 半导体器件（EPC 2001C、EPC 2015C、EPC 2023 和 EPC 2032）。绿色 PCB 有一个基于 FPGA 的控制器，用于控制 Dickson 转换器的整个操作。其余电路位于蓝色 PCB 中，包括不同类型的过滤器。

效率和负载瞬变

实验表明，混合 Dickson 转换器的效率随着负载的增加（例如，在 12.5 A 的负载下）而降低。它实现了 93% 的效率，在 40-A 负载下降至 84%。7在24 V的最小 V IN下运行，轻负载时的效率明显更高，在 5 A 时达到 96.8 %。这是由于降低了与负载无关的损耗，例如器件输出电容损耗和电感纹波电流较低输入电压。

对从 24 V 到 54 V 的大输入电压升压的响应的上升时间为 1.97 ms。随着输入电压的增加，输出电压纹波会增加。飞跨电容动态首先失衡，然后在 9 ms 内稳定下来。

QFF 结果表明 PLL 补偿了由施加到输出电感器的较高伏秒产生的较长开关周期。较小输入降压瞬变的下降时间为 8.51 ms。恒定导通时间平衡系统检测飞跨电容器电压的微小不平衡，并在 6 ms 内进行调整。

结论

这项工作使用电容器谷值电流 QFF 控制方法来演示基于 40W GaN 的六对一混合 Dickson 转换器的快速瞬态响应能力，用于 48V 到 1V 的直接转换。根据测量结果，所提出的方案能够实现具有接近偏差的最佳瞬态响应的快速动态行为，通过消除电感电流感应电阻损耗来提高系统效率，并提供快速电容器电压的自平衡，而无需额外的控制考虑。

审核编辑 黄昊宇