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电动汽车驱动 ★ 5.0

实现宽电压转换比并降低功率损耗以提高1.8 V电源轨的效率:基于EVCR降压变换器的研究

Achieving Wide Voltage-Conversion-Ratio and Reduced Power Losses for High Efficiency With EVCR Buck Converter for a 1.8 V Power Rail

作者 Hyo-Jin Park · Dowon Jeong · Hyeonho Park · Woosung Park · Sung-Wan Hong
期刊 IEEE Transactions on Power Electronics
出版日期 2025年5月
技术分类 电动汽车驱动
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 降压转换器 电压转换比 功率损耗 效率 移动应用
语言:

中文摘要

本文提出了一种扩展电压转换比(VCR)的降压转换器,其电压转换比高达 0.67。与之前电压转换比限制在 0.5 以下的混合转换器不同,所提出的转换器无需额外的外部组件,就能在锂离子电池的整个工作范围内为低于 1.8 V 的电源轨可靠供电。此外,它将电感的直流电阻、飞跨电容的等效串联电阻以及功率开关的导通电阻所产生的每一项功率损耗都降至最低。因此,在为移动应用提供稳定的 1.8 V 输出电压的同时,实现了更高的效率。另外,由于所提出的转换器在整个电压转换比范围内仅以两相模式运行,因此相较于之前的工作(其控制器会根据电压转换比在两相模式和三相模式之间切换运行模式)更为简单。该芯片采用 250 纳米互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺制造,在输入电压 $V_{IN}$ = 3.3 V、输出电压 $V_{O}$ = 1.8 V、输出电流 $I_{O}$ = 0.3 A 时,获得了 97.93% 的峰值效率。

English Abstract

This article proposes an extended voltage-conversion-ratio (VCR) buck converter with a VCR of up to 0.67. Unlike previous hybrid converters with a VCR limit of under 0.5, the proposed converter reliably supplies power to power rails lower than 1.8 V over the entire operating range of a Li-ion battery without requiring additional external components. In addition, it minimizes every power loss from the dc resistance of an inductor, the equivalent series resistance of the flying capacitor, and on-resistance of power switches. As a result, it achieves higher efficiency while supplying a stable 1.8 V output voltage for mobile applications. In addition, because the proposed converter simply operates in two-phase mode in entire VCR range, it is simpler than previous works in which the controller changes their operation mode between two-phase mode and three-phase mode depending on the VCR. The chip was fabricated in a 250-nm complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) process and obtained a peak efficiency of 97.93% at VIN = 3.3 V, VO = 1.8 V, and IO = 0.3 A.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项扩展电压转换比(EVCR)降压转换器技术虽然针对移动设备应用开发,但其核心创新理念对我司储能系统和光伏逆变器产品具有重要参考价值。

该技术的核心突破在于将电压转换比扩展至0.67,突破了传统混合转换器0.5的限制,并在全锂电池工作范围内实现高效稳定供电。这一特性与我司储能变流器(PCS)中的DC-DC转换需求高度契合。在储能系统中,电池组电压随充放电状态变化范围较大,该技术的宽电压转换能力可优化我们的电池管理系统设计,减少级联转换级数,降低系统复杂度。

技术层面,该方案通过优化电感直流电阻、飞跨电容等效串联电阻及功率开关导通电阻,实现了97.93%的峰值效率。这种系统性损耗优化思路可应用于我司大功率逆变器的辅助电源模块设计中,提升整机效率。特别是其全范围两相工作模式,相比传统的多模式切换方案,控制逻辑更简单,可靠性更高,这对工业级应用至关重要。

然而,该技术目前仅在250nm CMOS工艺下验证,功率等级局限在300mA@1.8V,与我司动辄数十千瓦至兆瓦级的应用场景存在显著差距。技术迁移的挑战在于:高压大功率器件的寄生参数控制、热管理设计以及EMI抑制策略需要重新评估。

建议我司研发团队关注其拓扑创新和损耗优化方法论,探索在分布式储能系统的低压辅助电源、组串式逆变器的智能监控模块等场景的应用可能性,作为提升系统集成度和能效的技术储备方向。