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高频压电谐振器型DC-DC变换器的电流模式控制
Current Mode Control for High Frequency Piezoelectric Resonator-Based DC–DC Converters
| 作者 | Eric Stolt · Martin Affolter · Zhechi Ye · Juan Rivas-Davila |
| 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 |
| 技术标签 | DC-DC变换器 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | 直流-直流转换器 压电谐振器 闭环控制 开关频率 功率密度 |
语言:
中文摘要
理论上,提高直流 - 直流转换器的开关频率能够减小无源元件的尺寸并提高系统功率密度,这是许多应用所要求的。然而,电感器和变压器在高频和小体积条件下的性能本质上难以提升,这成为实现高频、高功率密度直流 - 直流转换器的瓶颈。设计无电感的直流 - 直流转换器,转而使用压电谐振器进行无源储能,可绕过这一瓶颈。虽然基于压电谐振器的直流 - 直流转换器原型已在兆赫兹开关频率下展现出高功率密度和高效率,但这些转换器依赖开环控制。实际应用需要对这些转换器进行闭环控制,但现有的闭环控制方法无法适用于兆赫兹频率。本文提出了一种基于电流模式控制、前馈补偿和实时计算开关时序的、用于基于压电谐振器的直流 - 直流转换器的闭环控制方法。该方法可扩展至兆赫兹开关频率,并通过一个采用并联径向模式铌酸锂谐振器的750 kHz、100 W、效率达99.3%的原型转换器进行了验证。
English Abstract
Theoretically, increasing dc–dc converter switching frequency enables smaller passive components and high system power density, as required by many applications. However, inductors and transformers intrinsically scale poorly to high frequency and small volumes, creating a bottleneck to realizing high frequency, high power density dc–dc converters. Designing dc–dc converters without inductors, and instead using piezoelectric resonators for passive energy storage, bypasses this bottleneck. While prototype piezoelectric resonator based dc–dc converters have demonstrated high power density and efficiency at MHz switching frequencies, these converters rely on open-loop control. Practical applications necessitate closed-loop control for these converters, but the present methods for closed-loop control do not scale to MHz frequencies. This article presents a closed-loop control method for piezoelectric resonator based dc–dc converters using current mode control, feedforward compensation, and real-time calculated switch timings. The method scales to MHz switching frequency and is demonstrated with a 750 kHz, 100 W, 99.3% efficient prototype converter using paralleled, radial mode lithium niobate resonators.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项基于压电谐振器的高频DC-DC变换技术具有显著的战略参考价值,但距离规模化应用仍有距离。
该技术的核心创新在于用压电谐振器替代传统电感和变压器,突破了磁性元件在高频小型化方面的固有瓶颈。对于阳光电源的光伏逆变器和储能变流器产品线,这一技术路径理论上可实现功率密度的大幅提升。论文展示的750 kHz开关频率、99.3%效率的原型机性能表明,该技术在中小功率应用场景具备竞争力,特别适合分布式光伏系统中的组件级优化器、储能系统的DC-DC变换模块等对体积敏感的应用。
该研究解决了压电变换器从开环到闭环控制的关键技术难题,采用电流模式控制和前馈补偿实现了MHz级频率下的稳定调控,这是技术走向实用化的重要进展。然而,从工程应用角度,我们需要关注几个关键挑战:首先,压电谐振器的成本和供应链成熟度远不及传统磁性元件;其次,100W功率等级距离阳光电源主流产品的千瓦至兆瓦级应用存在显著差距,功率扩展性有待验证;第三,压电材料的温度特性、长期可靠性以及在户外恶劣环境下的表现需要深入评估。
建议将此技术纳入前瞻性研究跟踪范畴,重点关注其在高功率密度要求的特定场景应用,如便携式储能电源、车载DC-DC变换器等新兴市场。同时可考虑与科研机构合作,探索压电技术与现有硅基或碳化硅功率器件的协同优化路径,为未来产品差异化布局储备技术选项。