一種有效降低損耗的壓電式DC-DC轉換器開發(fā)案例

據(jù)麥姆斯咨詢報道，美國加州大學圣迭戈分校（University of California San Diego）和法國原子能委員會電子信息技術研究所（CEA-Leti）的科學家們開發(fā)出了一種突破性的壓電式DC-DC轉換器，可將所有功率開關統(tǒng)一到單個芯片上，從而提高了功率密度。這種新型功率拓撲結構超越了現(xiàn)有拓撲結構，融合了壓電式轉換器和電容式DC-DC轉換器的優(yōu)勢。

該聯(lián)合研究團隊開發(fā)的功率轉換器相比目前應用的大尺寸笨重電感器要小得多。該器件最終可用于任何類型的DC-DC轉換，從智能手機、計算機到服務器群以及增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實（AR/VR）頭戴式設備等。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，該研究成果已經(jīng)以“An Integrated Dual-side Series/Parallel Piezoelectric Resonator-based 20-to-2.2V DC-DC Converter Achieving a 310% Loss Reduction”為題發(fā)表于ISSCC 2024會議論文。

該論文顯示，其雙側串聯(lián)/并聯(lián)壓電諧振器（DSPPR）是首次應用于基于壓電諧振器的功率轉換，與之前已有報道的電壓轉換比（VCR）<0.125的分立式設計相比，其損耗降低了310%。

美國加州大學圣迭戈分校電氣與計算機工程系教授、該論文通訊作者Patrick Mercier說：“這種創(chuàng)新方法提高了性能，尤其是在低電壓轉換比下，此前的研究一直難以保持壓電材料的高效率及最佳利用率?！?/p>

該論文中解釋稱，與分立式設計相比，混合DSPPR轉換器利用了集成電路在小面積內(nèi)提供復雜功率級的能力，并能在電壓轉換比小于0.1的情況下實現(xiàn)器件的高效運行。

CEA-Leti硅元件部門科學總監(jiān)Gael Pillonnet表示：“該集成電路為將所有功率開關整合到單個芯片上提供了獨特機遇，大大減少了PCB的占位面積，并提高了相位控制精度?！?/p>

此外，在壓電DC-DC轉換器前級和后級加入額外的電容式轉換器，還有助于提高性能。

“這種集成策略減少了對壓電材料的需求，從而使轉換器更加緊湊，總體積明顯縮小?！盤illonnet說：“與本研究所提出拓撲結構帶來的巨大收益相比，額外電容器的邊際增長不到10%，就顯得微不足道了?！?/p>

該研究所開發(fā)的DC-DC轉換器（尤其是低VCR范圍內(nèi)），在各行各業(yè)都有廣泛的應用潛力，如大功率計算服務器、汽車系統(tǒng)、USB充電器以及電池供電設備等。

審核編輯：劉清