在1:5CW转换器中具有N相和分相时钟的GaN FET开关

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 。许多不同的转换器拓扑可以轻松混合，并有助于从软充电操作中受益。然而，图 1 中的 Cockcroft-Walton 是首选拓扑，因为它提供的开关和电容器电压应力较小 。

本文将讨论三个贡献。它将通过对 N 相切换和分相切换方案进行比较并突出它们的优势来初步分析它们。对于小负载，N 相方案效率更高，而分相方案适用于较重的负载。其次，通过应用分相时钟演示了CW 转换器。第三，使用氮化镓 FET 进行了演示，从而产生了非常大的功率密度，即 483.3 kW/升。这伴随着栅极驱动集成电路和高密度隔离电平移位的应用。

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］ 显示了相位进展图。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切换。为了监控 N 相，通过

将电流检测硬件与电感器串联来使用简化电路。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。这个 N 相开关电路显示了平滑的正弦电压转换，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 个 CW 转换器 ［1］ 一起使用。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］。如果二极管在正向方向上较大或电压较低，则由于二极管负载较重，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

分相开关

分相时钟方案能够以较高的输出功率实现较小的输出电压纹波。这是一种使用基于二极管的电荷泵的主动开关方法，这些电荷泵以电感方式加载 ［1］。它依赖于零电流开关和时序敏感的零电压开关，因此，与 N 相开关相比，它意味着额外的传感电路。

一个 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。要启用阶段 1b，VC3 = VC4。同样，要参与阶段 2c，VC2 = VC3。快速电容器上的平滑电压转换表示平滑、无突变的传输。开关电压应力如图 5 所示，第 2 阶段的 S5 和 S9 开关以及第 1 阶段的 S6 开关的 ZVS 用绿色表示。

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

N 相显示更好的开关活动，每个周期有 13 个开关，与分相相比，分相仅显示 9 个开关的周期，如图 2 和 4 所示。然而，对于相同的组件，在谐振条件下运行时，N 相与分相相比要慢 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，随着传感的硬件要求进一步降低，这种效果会进一步增加。然而，分相在较重的负载下显示出更好的效率。

体二极管导通效应不同于 N 相方案，它会降低其在重负载应用中的效率 。对于小于 2V 的反向偏置，在分相开关中，使用氮化镓而不是硅来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，这使我们产生了用这两者形成电路的想法。这样的电路似乎比单独使用它们中的任何一个都更有益。这有助于在整个开关范围内最大限度地提高效率 。两个开关的相变过程中的相同阶段可以作为合并点，并可用于将电路从一种开关方案转换为另一种开关方案 。

可以进一步暗示动态关断时间调制或脉冲频率调制以提高两个开关的轻负载效率。

审核编辑：郭婷