【摘 要】
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新能源汽车蓬勃发展,汽车电动化、智能化使得车载电子使用量倍增,高效率、高可靠性的车载电源转换器是未来汽车的重要组成部分。为实现高转压比、高转化效率电源转换器,本文使用GaN功率器件辅助数字环路控制完成40V转5V BUCK电源转换器设计。通过高可靠性数字环路控制和高效率GaN驱动芯片适配高转压比BUCK降压转换器,实现高转化效率高稳定性目的。针对开环BUCK降压拓扑采用平均化模型对大信号分析,从离
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新能源汽车蓬勃发展,汽车电动化、智能化使得车载电子使用量倍增,高效率、高可靠性的车载电源转换器是未来汽车的重要组成部分。为实现高转压比、高转化效率电源转换器,本文使用GaN功率器件辅助数字环路控制完成40V转5V BUCK电源转换器设计。通过高可靠性数字环路控制和高效率GaN驱动芯片适配高转压比BUCK降压转换器,实现高转化效率高稳定性目的。针对开环BUCK降压拓扑采用平均化模型对大信号分析,从离散时域的角度进行小信号建模,同时,考虑控制环路中的延时和量化因子,从而获得接近真实情况的数字开环z域传递函数。借助成熟的模拟补偿方法,通过双线性变换法得到真实的s域传递函数,进而得到补偿函数。再次经双线性变换将得到的s域补偿传递函数转换为离散补偿函数,并使用PID数字滤波结构实现离散补偿函数。针对高效率GaN驱动器,通过使用自适应恒流自举控制方案、纳秒级死区时间控制、高速电平移位器三大核心技术实现自举电压稳定、死区延时最优、驱动通道延时较低,减小驱动功率损耗,确保GaN功率管稳定运行。基于本文自主设计的GaN驱动芯片,构建40V转5V的数字控制BUCK转换器,400KHz的开关频率,负载电流在100m A到500m A变换时,输出电压存在50mv的超调量。此外转换器在输入电压12V,输出电压5V,负载电流为0.8A时峰值效率为97.4%;在输入电压为24V,负载电流为0.9A时峰值效率为96.7%;在输入电压为40V,输出电压5V,负载电流为0.9A时峰值效率为94.3%。此外,测试结果显示高边自举电压纹波电压低于240m V,驱动通道延时低于30ns,死区时间控制效果良好。仿真和测试结果显示,采用GaN功率器件的数字电源转换器具有高效率高可靠性,适用于高转压比电源产品应用。
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