面向空间应用的高性能GaN复合混合开关电容DC-DC变换器设计与实现

《IEEE Open Journal of Power Electronics》：Design and Implementation of a GaN-Based Composite Hybrid Switched-Capacitor DC-DC Converter for Space Applications

为解决下一代机器人太空探索中高压电源转换需求，研究人员开展了一项基于GaN器件的复合混合开关电容DC-DC变换器研究。该研究通过结合固定变比电容隔离Dickson变换器与飞跨电容多电平（FCML）调节器，实现了15:1高降压比、96.7%峰值效率的轻量化电源系统，为辐射环境下航天器电源设计提供了创新解决方案。

　　

在人类探索月球永久阴影区、火星斜坡等极端外星地形的宏伟蓝图中，机器人系统需要依靠高压直流系缆进行轻量化电力传输。然而太空辐射环境对高压功率器件构成严重威胁，传统LLC变换器因需要承受过高电压而难以适用。同时，常规降压变换器的磁性元件重量成为空间任务的重要负担。面对这些挑战，来自麻省理工学院和加州大学伯克利分校的研究团队在《IEEE Open Journal of Power Electronics》上发表了一项创新研究，提出了一种适用于太空环境的复合型电源架构。

研究团队采用部分功率处理（Partial Power Processing）策略，将固定变比的电容隔离Dickson变换器与可调节的飞跨电容多电平（FCML）变换器巧妙结合。关键技术方法包括：基于峰值能量存储的被动元件质量优化算法，针对12:1变比设计的谐振式Dickson变换器软开关技术，六电平FCML变换器的相移脉宽调制（PS-PWM）控制策略，以及基于输出阻抗模型的系统级电压调节方案。

电容隔离Dickson变换器设计

研究人员首先设计了12:1变比的电容隔离Dickson变换器，利用其多电平结构将开关电压应力降至100V以下。

通过谐振腔设计实现所有飞跨电容的完全软充电，在107kHz谐振频率下测得峰值效率达96.6%。实验证实开关管电压应力与负载条件无关，为辐射环境下的器件选型提供了重要依据。

调节用FCML变换器设计

针对150V输入、50V输出的调节需求，团队通过质量优化确定了六电平FCML架构。

该设计使电感器伏秒积降低至传统降压变换器的1/25，被动元件总质量仅0.69克，在100kHz开关频率下实现了97.5%的峰值效率。

复合变换器系统性能

完整系统采用串联输入/并联输出结构，Dickson变换器处理主要功率（250W），FCML变换器提供电压调节。

基于输出阻抗模型的PI控制器实现了良好的动态响应，在750V输入至50V输出的15:1变比条件下，系统峰值效率达96.7%，功率密度达1.02kW/kg。

该研究通过创新性地结合两种混合开关电容拓扑结构，成功解决了太空应用中高降压比电源转换的技术难题。电容隔离技术替代了传统磁性隔离，GaN器件的应用显著提升了抗辐射能力，而基于质量优化的被动元件选择策略为航天器轻量化设计提供了重要参考。这项工作为未来深空探测任务的电源系统设计树立了新的技术标杆。