電動汽車 (EV) 電力需求的增加已將傳統的 12V 系統推至其最大容量 3 kW。因此，開發了一個補充 48-V 網絡。1,2 48V 總線和內核電壓之間的高壓轉換比（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）的高效電源架構的需求) 3同時滿足自主微控制器的嚴格供應要求。4本文展示了一種基于 GaN 的六比一混合 Dickson 轉換器，用于汽車應用中的 48V 至 1V 直接轉換，具有快速瞬態響應。更多詳情，請閱讀原文。

下載我們的 GaN 和 SiC 技術電子書

不同的電源轉換架構

在現代電動汽車中，功率轉換范圍從 48 V 到 0.8 V。這需要一個高效的功率轉換系統，該系統可以根據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現這一點：

多級架構

單級架構

多級電源轉換系統具有級聯轉換系統，使用小型器件，開關速度快，電壓要求低。1,2這種技術對汽車的性能有積極的影響。

單級電源轉換是一種單級 DC/DC 電源轉換技術，它利用先進的 GaN 半導體器件，可提供更高的效率，但需要先進的控制系統來提供精確的瞬態電壓。3–5與基于變壓器的拓撲結構相比，混合開關電容器 (SC) 轉換器由于電容器的能量密度更高，因此外形更小。在 SC 拓撲中，混合 Dickson 轉換器提供最佳的開關利用率。

圖 1：6 比 1 混合 Dickson 轉換器

混合 Dickson 轉換器

混合 Dickson 轉換器是一種單級轉換系統，它使用基于電容器的 QFF 電流控制方案。QFF 使用鎖相環 (PLL) 來實現瞬態響應和自平衡輸出。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 半導體器件（EPC 2001C、EPC 2015C、EPC 2023 和 EPC 2032）。綠色 PCB 有一個基于 FPGA 的控制器，用于控制 Dickson 轉換器的整個操作。其余電路位于藍色 PCB 中，包括不同類型的過濾器。

效率和負載瞬變

實驗表明，混合 Dickson 轉換器的效率隨著負載的增加（例如，在 12.5 A 的負載下）而降低。它實現了 93% 的效率，在 40-A 負載下降至 84%。7在24 V的最小 V IN下運行，輕負載時的效率明顯更高，在 5 A 時達到 96.8 %。這是由于降低了與負載無關的損耗，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的上升時間為 1.97 ms。隨著輸入電壓的增加，輸出電壓紋波會增加。飛跨電容動態首先失衡，然后在 9 ms 內穩定下來。

QFF 結果表明 PLL 補償了由施加到輸出電感器的較高伏秒產生的較長開關周期。較小輸入降壓瞬變的下降時間為 8.51 ms。恒定導通時間平衡系統檢測飛跨電容器電壓的微小不平衡，并在 6 ms 內進行調整。

結論

這項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 轉換器的快速瞬態響應能力，用于 48V 到 1V 的直接轉換。根據測量結果，所提出的方案能夠實現具有接近偏差的最佳瞬態響應的快速動態行為，通過消除電感電流感應電阻損耗來提高系統效率，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