用于包络跟踪电源的多相三电平降压转换器

射频功率放大器需要庞大的冷却设备，因为众所周知，只要它们在恒定直流电源电压的帮助下供电，就会散发热量。射频发射器系统的很大一部分通常被冷却设备占据。RFPA 效率提高背后的原因和概念在于使用包络跟踪 (ET) 电源，因为电源调制器具有高峰均峰值 (PARP)。1图 1 清楚地展示了 ET 功率放大器的简单框图。已经引入了不同类型的 ET 电源，并且在线性放大器、2,3开关4-7和线性辅助开关转换器中进一步指定了它们。8,9测量高达 20 MHz 的大信号带宽通常由单相或多相5降压转换器跟踪，专门用于具有 4G LTE 的基站。在这种情况下，一个常见问题与在高频下处理更高的直流电压有关。本文讨论并介绍了用于 ET 的两相三电平降压转换器及其各种优点。高开关频率具有较少的关断开关损耗，这使得这种设计适用于 PARP ET 电源和更高的带宽。本文还解释了所提议转换器的操作和设计。请在此处找到原始 IEEE 论文。

图1：ET电源设计

图 2 清楚地表示了两相三电平降压转换器和 ET 应用的 ZVS 四阶输出滤波器的功率级架构。RFPA 的行为可从电阻负载 RL 得知。5图 3 和图 4 表示在 V in /2处正确控制快速电容器两端的电压，即每相的开关节点电压，在0 < D < 0.5 时在 0 和 V in /2之间切换，并且在V in /2 和 V in为 0.5 < D < 1。1已经注意到，与器件开关频率相比，总电流 I T 中存在 4 倍纹波频率这最终导致增强的开环转换器带宽和尺寸减小的滤波器。1

图2：两相三电平降压电路图

图 3：转换器在 0 < D < 0.5 时的波形

图 4：转换器在 0.5 < D < 1 时的波形

设备选择

选择 EPC800 系列eGaN FET 10,11背后的一个原因在于其优势在于具有超小尺寸、零反向恢复率和较低的开关损耗。图 5 和图 6 清楚地表明，在高达 50 MHz 的更高开关频率下，与传统对应物相比，最大额定功率为 115 W 的拟议三级设计的效率更高。1低侧 MOSFET (LSM) 包括顶部两个器件 S 1x和 S 2x，它们将电感器 L 1连接到输入直流总线/电容器正极端子，称为高侧 MOSFET (HSM)，以及底部两个器件 S 3x和 S 4x将电感器L 1连接到飞跨电容器的地/负端子。在低端器件的栅极信号中引入适当的延迟有助于 LSM 的 ZVS 开启。1由于在寄生电容的器件上充电/放电的负导体电流稀缺，因此在高侧器件的导通过程中会注意到耗散。如果峰峰值纹波电流的设计和承载方式是平均电流值的两倍，则将实现 HSM 的 ZVS 导通。L1 肯定有助于平衡相电流，而无需任何电流控制回路的帮助。1 表 1 显示了四阶 ZVS 滤波器组件的负载电阻为 6.6 Ω 的值。借助 Thevenis 和叠加原理，两相三电平降压转换器的简化电路如图所示7.

图 5：传统两电平降压的开关频率和效率比较

图 6：三电平降压开关频率和效率对比

图 7：建议的两相三电平降压的等效电路

结果与分析

图 8 显示了 PLECS 仿真环境中两相三电平降压转换器的开关节点电压和电感器电流的 20 MHz 带宽的 ET 信号。1根据输入包络命令的值，已注意到开关节点电压中的开关为 (1) 0 V 和 15 V 或 (2) 15 V 和 30 V。因此，在GaN MOSFET 两端的电压应力与输入电压的比较。1值得注意的是，转换器在 115 W 时的峰值效率为 97.5%，平均功率为 26 W 时的平均频率为 94.5%。建议的设计显示 10-dB PARP 和高于 90% 的效率。1

图 8：20 MHz 时两相三电平降压的开关节点电压和电感器电流

结论和未来范围

本文介绍了具有更高带宽 ET 应用的两相三电平降压转换器的设计。20 MHz LTE 包络信号的跟踪是通过设计 ZVS 低通滤波器获得的，并且在多相降压转换器中也完成了固有相位的维护和电流的平衡。对于给定的设计额定值和 PARP，与两电平降压选项相比，提出的两相三电平降压转换器在平均功率方面表现出更好的效率。所提出的两相三电平降压转换器的可扩展性要高得多，并且可用于大功率 ET 应用。与此同时，他们有能力实现更高的带宽和 PARP。仿真结果提供了概念和操作的证明。

　　审核编辑：汤梓红