為了實(shí)現(xiàn)高功率密度，使用了混合電感-電容開關(guān)轉(zhuǎn)換器。這些混合電感-電容開關(guān)可防止瞬態(tài)浪涌電流，這通常會(huì)導(dǎo)致傳統(tǒng)開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器的輸出損耗 。許多不同的轉(zhuǎn)換器拓?fù)淇梢暂p松混合，并有助于從軟充電操作中受益。然而，圖 1 中的 Cockcroft-Walton 是首選拓?fù)洌驗(yàn)樗峁┑拈_關(guān)和電容器電壓應(yīng)力較小 。

本文將討論三個(gè)貢獻(xiàn)。它將通過對(duì) N 相切換和分相切換方案進(jìn)行比較并突出它們的優(yōu)勢(shì)來初步分析它們。對(duì)于小負(fù)載，N 相方案效率更高，而分相方案適用于較重的負(fù)載。其次，通過應(yīng)用分相時(shí)鐘演示了CW 轉(zhuǎn)換器。第三，使用氮化鎵 FET 進(jìn)行了演示，從而產(chǎn)生了非常大的功率密度，即 483.3 kW/升。這伴隨著柵極驅(qū)動(dòng)集成電路和高密度隔離電平移位的應(yīng)用。

圖 1：Cockcroft-Walton 轉(zhuǎn)換器電路

在本文中，將討論 N 相和分相開關(guān)技術(shù)。它還將關(guān)注離散原型和測(cè)量結(jié)果。

操作理論

N相切換

對(duì)于將 N 相時(shí)鐘方案應(yīng)用于 1:n 混合 LC CW 轉(zhuǎn)換器的 N = 5 電路

，圖 2 ［1］ 顯示了相位進(jìn)展圖。當(dāng)單個(gè)

有源電壓環(huán)路通過電感器時(shí)，每個(gè)開關(guān)都會(huì)經(jīng)歷零電流切換。為了監(jiān)控 N 相，通過

將電流檢測(cè)硬件與電感器串聯(lián)來使用簡(jiǎn)化電路。這減少了靜態(tài)電流消耗

與使用多個(gè)傳感器的分相開關(guān)進(jìn)行比較。這個(gè) N 相開關(guān)電路顯示了平滑的正弦電壓轉(zhuǎn)換，沒有突然的電荷共享（圖 3）。為了獲得 160 歐姆的負(fù)載，18 V 的輸入電壓與 N = 5 個(gè) CW 轉(zhuǎn)換器 ［1］ 一起使用。紅色開關(guān)可以看到 S5、S6 和 S9 處的電壓應(yīng)力。這表明增加的負(fù)載可能會(huì)增加內(nèi)部電壓紋波，從而產(chǎn)生反向體二極管導(dǎo)通 ［1］。如果二極管在正向方向上較大或電壓較低，則由于二極管負(fù)載較重，這種傳導(dǎo)損耗可能會(huì)導(dǎo)致效率降低。

圖 2：使用 N 相開關(guān)的 1:5 CW 轉(zhuǎn)換器的不同相位

圖 3：N 相開關(guān)波形

分相開關(guān)

分相時(shí)鐘方案能夠以較高的輸出功率實(shí)現(xiàn)較小的輸出電壓紋波。這是一種使用基于二極管的電荷泵的主動(dòng)開關(guān)方法，這些電荷泵以電感方式加載 ［1］。它依賴于零電流開關(guān)和時(shí)序敏感的零電壓開關(guān)，因此，與 N 相開關(guān)相比，它意味著額外的傳感電路。

一個(gè) 1:5 CW 轉(zhuǎn)換器用于演示圖 4 中的分相操作。要初始化主相，必須對(duì)其子相進(jìn)行初始化，這些都是通過滿足 ZVS 條件來完成的。這些條件讓開關(guān) S6 啟動(dòng)階段 1，S5 和 S9 啟動(dòng)階段 2。要啟用階段 1b，VC3 = VC4。同樣，要參與階段 2c，VC2 = VC3。快速電容器上的平滑電壓轉(zhuǎn)換表示平滑、無突變的傳輸。開關(guān)電壓應(yīng)力如圖 5 所示，第 2 階段的 S5 和 S9 開關(guān)以及第 1 階段的 S6 開關(guān)的 ZVS 用綠色表示。

圖 4：使用分相開關(guān)的 1:5 CW 轉(zhuǎn)換器的不同相位

圖 5：分相開關(guān)波形

比較

N 相顯示更好的開關(guān)活動(dòng)，每個(gè)周期有 13 個(gè)開關(guān)，與分相相比，分相僅顯示 9 個(gè)開關(guān)的周期，如圖 2 和 4 所示。然而，對(duì)于相同的組件，在諧振條件下運(yùn)行時(shí)，N 相與分相相比要慢 60%。因此，具有降低開關(guān)損耗的 N 相對(duì)于輕負(fù)載是有效的。在商業(yè)應(yīng)用中，隨著傳感的硬件要求進(jìn)一步降低，這種效果會(huì)進(jìn)一步增加。然而，分相在較重的負(fù)載下顯示出更好的效率。

體二極管導(dǎo)通效應(yīng)不同于 N 相方案，它會(huì)降低其在重負(fù)載應(yīng)用中的效率 。對(duì)于小于 2V 的反向偏置，在分相開關(guān)中，使用氮化鎵而不是硅來增加本征體二極管中的正向電壓 。

相同的硬件可用于 N 相和分相開關(guān)，這使我們產(chǎn)生了用這兩者形成電路的想法。這樣的電路似乎比單獨(dú)使用它們中的任何一個(gè)都更有益。這有助于在整個(gè)開關(guān)范圍內(nèi)最大限度地提高效率 。兩個(gè)開關(guān)的相變過程中的相同階段可以作為合并點(diǎn)，并可用于將電路從一種開關(guān)方案轉(zhuǎn)換為另一種開關(guān)方案 。

可以進(jìn)一步暗示動(dòng)態(tài)關(guān)斷時(shí)間調(diào)制或脈沖頻率調(diào)制以提高兩個(gè)開關(guān)的輕負(fù)載效率。

審核編輯：郭婷