Entwurf und Analyse eines switched-capacitor-basierten Step-up DC/DC-Wandlers mit kontinuierlichem Eingangsstrom

In diesem Papier wird die Verwendung des Stromregelungsschemas in switched-capacitor (SC)-basierten Step-up DC/DC-Wandlern vorgestellt. Es umfasst nicht nur alle positiven Eigenschaften früherer SC-Wandler, einschließlich kleiner Größe, leichtem Gewicht, hoher Leistungsdichte und der Möglichkeit zur IC-Hybridisierung, sondern hat auch die herausragenden Merkmale eines kontinuierlichen Eingangsstroms und eine bessere Regelungsfähigkeit als die traditionellen SC-Wandler. Das Problem der leitungsgebundenen elektromagnetischen Störungen mit dem Versorgungsnetz, das allgemein in früheren SC-Wandlern besteht, wird stark unterdrückt. Das Konzept der Energieübertragung wird durch den Einsatz dualer SC-Step-up-Wandlerzellen erreicht, die phasenverschoben arbeiten. Jede Zelle wechselt zwischen zwei Topologien für die gleiche Dauer. Das DC-Spannungsumwandlungsverhältnis wird durch das Stromregelungsschema gesteuert, um das Ladeprofil der Kondensatoren anzupassen. Ein verallgemeinerter n-stufiger Wandler wird vorgestellt und anhand eines vereinfachten dritten Ordnung-Zustandsraummodells analysiert. Die statischen und dynamischen Verhaltensweisen sowie die Entwurfsbeschränkungen des Wandlers werden abgeleitet. Ein Prototyp des 30 W 5 V/12 V zweistufigen Wandlers wurde gebaut, was eine Gesamtwirkung von 78 % mit einer Leistungsdichte von 15 W/in³ ergibt. Auch die Betriebsstabilität wird präsentiert.