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 [2-5]。許多不同的轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以輕松混合，并有助于從軟充電操作中受益。然而，圖 1 中的 Cockcroft-Walton 是一種首選拓?fù)洌驗(yàn)樗峁┑拈_關(guān)和電容器電壓應(yīng)力較小 [6]。

本文將討論三個(gè)貢獻(xiàn)。它將通過介紹它們之間的比較并突出它們的優(yōu)點(diǎn)來初步分析 N 相開關(guān)和分相開關(guān) [6-7] 方案。對(duì)于小負(fù)載，N 相方案更有效，而分相方案適用于較重的負(fù)載。其次，CW 轉(zhuǎn)換器通過應(yīng)用分相時(shí)鐘進(jìn)行演示 [7,9]。第三，進(jìn)行了使用氮化鎵場效應(yīng)晶體管的演示，產(chǎn)生了極大的功率密度，即 483.3 kW/L。這伴隨著柵極驅(qū)動(dòng)器集成電路和高密度隔離電平移位的應(yīng)用[9-11]。請(qǐng)?jiān)诖颂幷业皆嘉恼隆?/p>

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] 顯示了相位級(jí)數(shù)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)歷零電流開關(guān)。為了監(jiān)控 N 相，通過

將電流檢測硬件與電感器串聯(lián)使用一個(gè)簡化的電路。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。該 N 相開關(guān)電路顯示電壓的正弦轉(zhuǎn)換，平滑且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 CW 轉(zhuǎn)換器一起使用 [1]。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]。如果二極管正向較大或電壓較低，由于二極管負(fù)載過重，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

分相切換

分相時(shí)鐘方案能夠以更高的輸出功率實(shí)現(xiàn)更小的輸出電壓紋波。這是一種使用基于二極管的電荷泵的有源開關(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)和定時(shí)敏感的零電壓開關(guān)，因此，與 N 相開關(guān)相比，它意味著額外的感測電路。

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。要接合階段 1b，VC3 = VC4。類似地，要進(jìn)行階段 2c，VC2 = VC3。快速電容器上的平滑電壓轉(zhuǎn)換表明平滑、無突變的傳輸。開關(guān)電壓應(yīng)力如圖 5 所示，ZVS 以綠色表示第 2 階段的 S5 和 S9 開關(guān)和第 1 階段的 S6。

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

如圖 2 和圖 4 [1] 所示，與分相相比，N 相顯示更好的開關(guān)活動(dòng)，每周期 13 次開關(guān)，分相僅顯示 9 次開關(guān)循環(huán)。然而，當(dāng)相同組件在諧振下運(yùn)行時(shí)，N 相比分相慢 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，隨著傳感硬件要求的進(jìn)一步降低，這種影響會(huì)進(jìn)一步增加。然而，分相在較重的負(fù)載下表現(xiàn)出更好的效率。

體二極管導(dǎo)通效應(yīng)不同于 N 相方案，并導(dǎo)致其在重負(fù)載應(yīng)用中的效率降低 [1]。對(duì)于小于 2V 的反向偏置，在分相開關(guān)中，使用氮化鎵代替硅 [1] 會(huì)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)，這使我們想到了用這兩種方式形成電路的想法。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。這有助于最大限度地提高整個(gè)開關(guān)范圍內(nèi)的效率 [1]。兩個(gè)開關(guān)的相位進(jìn)程中的相同相位可作為合并點(diǎn)，并可用于將電路從一種開關(guān)方案轉(zhuǎn)換為另一種方案 [1]。

動(dòng)態(tài)關(guān)斷時(shí)間調(diào)制或脈沖頻率調(diào)制可能進(jìn)一步暗示提高兩個(gè)開關(guān)的輕載效率 [1]。

原型設(shè)計(jì)

氮化鎵 FET 用于形成 1:5 CW 原型，如圖 6 所示。使用 0.8 毫米 PCB 組裝它，體積為 393 平方毫米 [1]。使用的 VIN 為 20 V，最大失調(diào)電壓為 100 V，柵極驅(qū)動(dòng)器電路和功率級(jí)如圖 7 所示，而 5.6 V 的齊納二極管用作高速電壓穩(wěn)壓器 [1] .

圖 6：原型

圖 7：功率級(jí)和柵極驅(qū)動(dòng)器自舉電路

結(jié)果

在圖 8 和圖 9 中，可以很容易地觀察到 N 相和分相開關(guān)模型如何在電路中一起使用 [1]。圖 10 和 11 顯示，使用類似的硬件，分相將提供高功率輸出，而 N 相將在較輕的負(fù)載下降低 30% 的損耗，因此這種組合可以成為首選的操作方式 [1]。

圖 8：N 相 CW 的實(shí)測波形

圖 9：分相 CW 的測量波形

圖 10：測量效率與輸出功率

圖 11：測量的輕負(fù)載效率與輸出功率

結(jié)論

本文演示了 N 相和分相混合電感電容器開關(guān)的應(yīng)用。結(jié)果證明，Cockcroft-Walton 拓?fù)渲械姆窒嚅_關(guān)方法允許高電荷密度并且對(duì)重負(fù)載應(yīng)用有效，而 N 相方案對(duì)于輕負(fù)載應(yīng)用非常有效。它展示了這兩種方案的成功和有用性，同時(shí)突出了以組合方式使用這些切換方案所獲得的好處。

審核編輯：湯梓紅