论文部分内容阅读
直流-直流(DC-DC)变换器是目前应用广泛的电源变换器。随着电动汽车中48 V直流供电系统与新型服务器48 V转1 V供电架构的发展,市场对传统DC-DC降压变换器提出了高效率、高功率密度的新需求。为了提高功率密度,普遍解决方案是提高开关频率。但是对于传统的硅基功率器件,由于BUCK电路本身的结构特点,在高频高功率密度的电路中会存在较大的开关损耗。而Ga N功率器件相比于传统硅基功率管,具有导通损耗低、寄生电容小、没有反向恢复电荷等优点,更能够适应高频的DC-DC变换器的应用。本论文针对Ga N器件在DC-DC降压变换器中的应用进行研究,设计了两款DC-DC BUCK降压变换器。针对谷歌(Google)公司提出的新的服务器供电架构,设计了48 V输入5 V、90 W输出,最高工作频率5 MHz的DC-DC降压电路;针对48 V汽车电子供电系统,进行了基于Ga N功率器件的48 V输入1 V、5 W的小功率输出软开关BUCK电路设计。第一款大功率BUCK控制芯片的设计,采用了自适应导通时间控制方式来应对高频低占空比所带来的导通时间过短的问题。采用了高精度的导通时间发生器,消除了比较器延时所带来的导通时间的误差。另外针对Ga N器件本身反向导通电压高的问题,设计了自适应死区时间控制,降低死区时间损耗。仿真结果实现了2 MHz开关频率下,满载下90%的峰值效率,以及快速的负载响应。第二款软开关BUCK电路控制芯片的设计,通过BUCK电路本身的电路结构,实现了软开关的工作方式,完成了整个系统的闭环控制。系统通过PWM方式进行控制,实现了谐振检测、死区时间控制等功能。通过利用Ga N器件的低寄生的特点,使500 k Hz开关频率下仿真结果峰值效率达到93%。本设计经过仿真验证,基于Ga N器件的大功率DC-DC变换器能够在保证工作效率的前提下,提升DC-DC降压变换器的开关频率至2MHz以上,从而减小至少50%的片外电感体积。同时,在低功率等级下,Ga N器件能充分发挥软开关BUCK拓扑的优势,消除开关损耗,相比硬开关提高10%左右的工作效率。