Concepts for integrated switched-capacitor voltage converters with high input voltage

Abstract

Light electric vehicles, e-bikes, power tools, and drones use battery systems that can reach 100 V to 150 V. Their electronic controls, however, typically operate from supply voltages of only 1.8 V to 5 V. Supplying these circuits directly from the battery, therefore, requires compact and efficient power conversion with a high conversion ratio. The project investigates highly integrated switched-capacitor converters for such applications. Different converter architectures are systematically compared, and a synthesis method for compact topologies with high conversion ratios is developed. Based on these results, a Sigma converter is developed that combines an efficient resonant main converter (integrated circuit 1, IC 1) with a second, smaller converter (IC 2) to provide continuous regulation. The experimental high-voltage converter, comprising both ICs, is designed to convert 135 V to 3.3 V. External capacitors are mounted directly on top of the converter, resulting in a compact, low-loss assembly, achieving high conversion efficiency and high power density. The fabricated ICs serve as a demonstrator for compact power supplies that can supply microcontrollers and other low-voltage electronics directly from a high-voltage battery. In elektrischen Leichtfahrzeugen, E-Bikes, Elektrowerkzeugen und Drohnen kommen Batteriesysteme zum Einsatz, deren Spannung je nach Anwendung zwischen 100 V und 150 V liegt. Die Steuerungselektronik arbeitet dagegen typischerweise mit Versorgungsspannungen von 1,8 V bis 5 V. Ihre direkte Versorgung aus der Batterie erfordert daher eine kompakte und effiziente Spannungswandlung mit hohem Übersetzungsverhältnis. Hierfür untersucht das Projekt hochintegrierte Switched-Capacitor-Wandler. Dazu werden verschiedene Wandlerarchitekturen systematisch verglichen und ein Syntheseverfahren für kompakte Topologien mit hohem Übersetzungsverhältnis entwickelt. Auf dieser Grundlage entsteht ein Sigma Wandler, der einen effizienten resonanten Hauptwandler (IC 1) mit einem kleineren, kontinuierlich regelnden Wandler (IC 2) kombiniert. Ein experimenteller Hochvolt-Spannungswandler unter Verwendung von IC 1 und IC 2 ist ausgelegt für die Wandlung von 135 V auf 3,3 V. Externe Kondensatoren werden unmittelbar auf dem IC montiert, wodurch ein kompakter und verlustarmer Aufbau entsteht, der einen hohen Wirkungsgrad und eine hohe Leistungsdichte erreicht. Die gefertigten ICs dienen als Demonstrator für kompakte Spannungsversorgungen, die Mikrocontroller und andere Niederspannungselektronik direkt aus einer Hochvoltbatterie versorgen können.