N相和分相混合电感电容器开关的应用

为了实现高功率密度，使用了混合电感电容开关转换器。这些混合电感电容开关可防止瞬态浪涌电流，这通常会导致传统开关电容转换器的输出损耗 [2-5]。许多不同的转换器拓扑结构可以轻松混合，并有助于从软充电操作中受益。然而，图 1 中的 Cockcroft-Walton 是一种首选拓扑，因为它提供的开关和电容器电压应力较小 [6]。

本文将讨论三个贡献。它将通过介绍它们之间的比较并突出它们的优点来初步分析 N 相开关和分相开关 [6-7] 方案。对于小负载，N 相方案更有效，而分相方案适用于较重的负载。其次，CW 转换器通过应用分相时钟进行演示 [7,9]。第三，进行了使用氮化镓场效应晶体管的演示，产生了极大的功率密度，即 483.3 kW/L。这伴随着栅极驱动器集成电路和高密度隔离电平移位的应用[9-11]。请在此处找到原始文章。

图 1：Cockcroft-Walton 转换器电路

在本文中，将讨论 N 相和分相开关技术。它还将关注离散原型和测量结果。

操作理论

N相切换

对于将 N 相时钟方案应用于 1:n 混合 LC CW 转换器的 N = 5 电路

，图 2 [1] 显示了相位级数图。当单个

有源电压环路通过电感器时，每个开关都会经历零电流开关。为了监控 N 相，通过

将电流检测硬件与电感器串联使用一个简化的电路。这减少了静态电流消耗

与使用多个传感器的分相开关进行比较。该 N 相开关电路显示电压的正弦转换，平滑且没有突然的电荷共享(图 3)。为了获得 160 欧姆的负载，18 V 的输入电压与 N = 5 CW 转换器一起使用 [1]。红色开关可以看到 S5、S6 和 S9 处的电压应力。这表明增加的负载可能会增加内部电压纹波，从而产生反向体二极管导通 [1]。如果二极管正向较大或电压较低，由于二极管负载过重，这种传导损耗可能会导致效率降低。

图 2：使用 N 相开关的 1:5 CW 转换器的不同相位

图 3：N 相开关波形

分相切换

分相时钟方案能够以更高的输出功率实现更小的输出电压纹波。这是一种使用基于二极管的电荷泵的有源开关方法，这些电荷泵以电感方式加载 [1]。它依赖于零电流开关和定时敏感的零电压开关，因此，与 N 相开关相比，它意味着额外的感测电路。

1:5 CW 转换器用于演示图 4 中的分相操作。要初始化主相，必须对其子相进行初始化，这些都是通过满足 ZVS 条件来完成的。这些条件让开关 S6 启动阶段 1，S5 和 S9 启动阶段 2。要接合阶段 1b，VC3 = VC4。类似地，要进行阶段 2c，VC2 = VC3。快速电容器上的平滑电压转换表明平滑、无突变的传输。开关电压应力如图 5 所示，ZVS 以绿色表示第 2 阶段的 S5 和 S9 开关和第 1 阶段的 S6。

图 4：使用分相开关的 1:5 CW 转换器的不同相位

图 5：分相开关波形

比较

如图 2 和图 4 [1] 所示，与分相相比，N 相显示更好的开关活动，每周期 13 次开关，分相仅显示 9 次开关循环。然而，当相同组件在谐振下运行时，N 相比分相慢 60%。因此，具有降低开关损耗的 N 相对于轻负载是有效的。在商业应用中，随着传感硬件要求的进一步降低，这种影响会进一步增加。然而，分相在较重的负载下表现出更好的效率。

体二极管导通效应不同于 N 相方案，并导致其在重负载应用中的效率降低 [1]。对于小于 2V 的反向偏置，在分相开关中，使用氮化镓代替硅 [1] 会增加本征体二极管中的正向电压。

相同的硬件可用于 N 相和分相开关，这使我们想到了用这两种方式形成电路的想法。这样的电路似乎比单独使用它们中的任何一个都更有益。这有助于最大限度地提高整个开关范围内的效率 [1]。两个开关的相位进程中的相同相位可作为合并点，并可用于将电路从一种开关方案转换为另一种方案 [1]。

动态关断时间调制或脉冲频率调制可能进一步暗示提高两个开关的轻载效率 [1]。

原型设计

氮化镓 FET 用于形成 1:5 CW 原型，如图 6 所示。使用 0.8 毫米 PCB 组装它，体积为 393 平方毫米 [1]。使用的 VIN 为 20 V，最大失调电压为 100 V，栅极驱动器电路和功率级如图 7 所示，而 5.6 V 的齐纳二极管用作高速电压稳压器 [1] .

图 6：原型

图 7：功率级和栅极驱动器自举电路

结果

在图 8 和图 9 中，可以很容易地观察到 N 相和分相开关模型如何在电路中一起使用 [1]。图 10 和 11 显示，使用类似的硬件，分相将提供高功率输出，而 N 相将在较轻的负载下降低 30% 的损耗，因此这种组合可以成为首选的操作方式 [1]。

图 8：N 相 CW 的实测波形

图 9：分相 CW 的测量波形

图 10：测量效率与输出功率

图 11：测量的轻负载效率与输出功率

结论

本文演示了 N 相和分相混合电感电容器开关的应用。结果证明，Cockcroft-Walton 拓扑中的分相开关方法允许高电荷密度并且对重负载应用有效，而 N 相方案对于轻负载应用非常有效。它展示了这两种方案的成功和有用性，同时突出了以组合方式使用这些切换方案所获得的好处。

审核编辑：汤梓红