利用48V-1V轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)汽車穩(wěn)定運(yùn)行的GaN變換器

在現(xiàn)代，電動(dòng)汽車的需求與日俱增。電動(dòng)汽車的本質(zhì)要求是節(jié)能，同時(shí)也要像非電動(dòng)汽車一樣強(qiáng)大。電力需求的增加促使電動(dòng)汽車制造商開發(fā)新技術(shù)，幫助電動(dòng)汽車達(dá)到3KW的容量。本文介紹了一種利用48V-1V轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)汽車穩(wěn)定運(yùn)行的GaN變換器。該部件的目的是為了提供一個(gè)高效的轉(zhuǎn)換器，顯示車輛的動(dòng)態(tài)性能。此外，它還通過消除電感電流損耗提高了系統(tǒng)的效率，并提供了飛行電容器電壓的自平衡。

不同的功率轉(zhuǎn)換架構(gòu)

現(xiàn)代電動(dòng)汽車的功率轉(zhuǎn)換范圍從48V到0.8V不等，這就要求一個(gè)高效的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，能夠根據(jù)汽車控制器的要求，根據(jù)不同的輸入范圍提供精確的輸出電壓。有兩種不同的方法可實(shí)現(xiàn)此項(xiàng)：多級(jí)體系結(jié)構(gòu)；單級(jí)體系結(jié)構(gòu)。

多級(jí)功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)采用級(jí)聯(lián)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，采用開關(guān)速度快、電壓要求低的小型器件。該技術(shù)對(duì)汽車的性能有積極的影響。多級(jí)功率轉(zhuǎn)換技術(shù)的一個(gè)缺點(diǎn)是效率降低。

單級(jí)功率轉(zhuǎn)換是利用先進(jìn)的GaN半導(dǎo)體器件實(shí)現(xiàn)的一種單級(jí)dc-dc功率轉(zhuǎn)換技術(shù)，它提供了更高的效率，但需要先進(jìn)的控制系統(tǒng)來提供精確的瞬態(tài)電壓。在混合Dickson變換器中，采用基于電容器的準(zhǔn)固定頻率（QFF）谷電流控制方案，可以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。由于電容器的密度高，因此它們的偏差小，損耗小。這些轉(zhuǎn)換器稱為混合開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器。

傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)采用電感電流控制系統(tǒng)，它用于檢測(cè)交流和直流部分輸入電流，它們具有并聯(lián)電阻，導(dǎo)致了不同類型的傳導(dǎo)損耗。在SC轉(zhuǎn)換器的情況下，并聯(lián)電阻器串聯(lián)電容，并限制在輸出電感中產(chǎn)生的波紋，以提供高效率和更少的傳導(dǎo)損耗。

混合Dickson變換器

混合型Dickson變換器是一種新型電動(dòng)汽車的dc-dc變換器。它是一個(gè)單級(jí)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，使用基于電容器的QFF電流控制方案。QFF采用鎖相環(huán)（PLL）實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)響應(yīng)和輸出自平衡。它的輸入范圍是24伏到54伏，提供0.8伏到48伏的輸出。它有不同的頻率范圍，如500千赫、750千赫、1兆赫。在圖1中，你可以看到一個(gè)基于GaN的6:1混合Dickson轉(zhuǎn)換器。上面顯示的紅色PCB是主電源板。它安裝了不同的GaN半導(dǎo)體器件（epc2001c、epc2015c、epc2023和epc2032）。綠色的 PCB有一個(gè)基于FPGA的控制器，它控制Dickson轉(zhuǎn)換器的整個(gè)操作。其余的電路像不同類型的濾波器一樣，駐留在藍(lán)色印刷電路板中。

效率

實(shí)驗(yàn)表明，它的效率隨著負(fù)載的增加而降低，例如，在12.5A的負(fù)載下，它的效率達(dá)到93%，而在40A負(fù)載下，效率下降到84%。在較低的輸入電壓（如24V）下效率更高，因?yàn)樵诘碗妷合码娙莺图y波電流損失較小。

負(fù)荷變化

負(fù)荷變化在轉(zhuǎn)換過程中出現(xiàn)升壓和降壓時(shí)，有兩種不同的趨勢(shì)。在負(fù)載升壓的情況下，電感電流在升壓過程中始終跟蹤負(fù)載電流。這是由于電壓變化造成的，電壓變化較?。ㄘ?fù)載從2A變化到22A時(shí)為25mv）。對(duì)于負(fù)載降壓，電壓變化很高（負(fù)載從22A變化到2A時(shí)為60mv）。這是因?yàn)樵谪?fù)載下降的情況下，較小的電壓秒數(shù)會(huì)影響電感。

QFF控制系統(tǒng)

QFF控制系統(tǒng)是一個(gè)自平衡系統(tǒng)，它意味著在升壓或降壓轉(zhuǎn)換過程中發(fā)生的任何頻率或電壓不平衡將在幾毫秒內(nèi)恢復(fù)正常。它還允許快速切換，這增加了Dickson轉(zhuǎn)換器的瞬態(tài)響應(yīng)，例如，在從24V升壓到54V的情況下，輸出電壓上會(huì)產(chǎn)生紋波，并且隨著輸入電壓的增加，這種不平衡將在9ms內(nèi)恢復(fù)正常。在這種情況下，PLL補(bǔ)償由于施加到輸出電感器上的大電壓而增加的開關(guān)時(shí)間。

評(píng)論

雖然混合Dickson變換器確實(shí)將電壓從48V降低到1V，但其效率僅限于91%。有一個(gè)兩級(jí)結(jié)構(gòu)，抑制了91%的停車效率。為了克服這種效率，達(dá)到理想狀態(tài)，混合變換器有效地利用了無源元件。它有效地將電流橋轉(zhuǎn)換成大的轉(zhuǎn)換比。它是一個(gè)7電平的飛電容多級(jí)電路，由FCML完成。很容易轉(zhuǎn)換電流并開始利用無源元件。FCML通過使用一個(gè)輸出電感器、13個(gè)開關(guān)和其他模塊將電壓轉(zhuǎn)換為48V到1V。此外，它使用了五個(gè)飛電容器，而且還需要一個(gè)精確尺寸的電容器，可以很容易地安裝到轉(zhuǎn)換器中。當(dāng)轉(zhuǎn)換時(shí)，所有組件都會(huì)產(chǎn)生一些復(fù)雜性，從而限制轉(zhuǎn)換器在較重負(fù)載下的性能。

結(jié)論

因此，我們可以得出這樣的結(jié)論：這種Dickson混合動(dòng)力轉(zhuǎn)換器使用兩個(gè)電感器，提高了汽車的效率，達(dá)到了95%，并且可以幫助車輛快速行駛。整個(gè)轉(zhuǎn)換過程和周期確定了變換器提高其輸出電流，并允許交流通過。此外，還介紹了另一個(gè)半轉(zhuǎn)換器使用兩個(gè)交錯(cuò)電感。通過平滑力轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，從而消除兩個(gè)自由輪開關(guān)，轉(zhuǎn)換器提高了調(diào)節(jié)器的屈服阻抗。與混合型Dickson變換器相比，旋鈕阻抗和電導(dǎo)損失電容兩倍。

整個(gè)轉(zhuǎn)換過程可靠、準(zhǔn)確，在一定程度上是可以實(shí)現(xiàn)的。

交錯(cuò)雙產(chǎn)額電感器具有多相交錯(cuò)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，適用于大電流應(yīng)用場(chǎng)合，通過飛流電容器的一致狀態(tài)活動(dòng)來調(diào)節(jié)電感。因此，混合式Dickson變換器可以將電壓從48V轉(zhuǎn)換為1V，從而提高電動(dòng)汽車的效率。
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