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1:5 CW 转换器中具有 N 相和分相时钟的 GaN FET 开关
接线图
2024年01月28日 08:51 162
admin
为了实现高功率密度，使用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，这种电流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，因为它提供较小的开关和电容器电压应力 [6]。
本文将讨论三个贡献。它将首先分析 N 相切换和分相切换 [6-7] 方案，对它们进行比较并突出它们的优点。对于小负载，N相方案效率更高，而分相方案适合较重负载。其次，CW 转换器通过分相时钟的应用进行了演示 [7,9]。第三，使用氮化镓FET进行了演示，产生了极高的功率密度，即483.3千瓦/升。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]。请在这里找到原始文章。
在本文中，将讨论 N 相和分相开关技术。它还将重点关注离散原型和测量结果。
操作原理
N相开关
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，相位级数图
如图 2 [1] 所示。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
将电流感应硬件与电感器串联来使用简化的电路。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 相开关电路显示出平滑的正弦电压转换，并且没有突然的电荷共享（图 3）。为了获得 160 欧姆的负载，需要使用 18 V 的输入电压和 N = 5 CW 转换器 [1]。通过红色开关可以看到 S5、S6 和 S9 处的电压应力。这表明负载增加可能会增加内部电压纹波，从而产生反向体二极管导通[1]。如果二极管的正向较大或电压较低，则由于二极管负载较重而导致的传导损耗可能会导致效率降低。 使用 N 相开关的 1:5 CW 转换器
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感负载电荷泵的有源开关方法[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，它意味着额外的感测电路。 图 4 中使用 1:5 CW 转换器来演示分相操作。为了初始化主相，必须初始化其子相，而这些是通过满足 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。为了启动阶段 1b，VC3 = VC4。同样，要进入阶段 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，其中第 2 阶段的 S5 和 S9 开关以及第 1 阶段的 S6 开关的 ZVS 以绿色表示。
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
与分相相比，N 相显示出更好的开关活动，每个周期有 13 个开关，分相仅显示 9 个开关，如图 2 和图 4 所示 [1]。然而，当相同组件以谐振方式运行时，N 相比分相慢 60%。因此，开关损耗降低的 N 相对于轻负载而言非常高效。在商业应用中，随着传感硬件要求的进一步降低，这种效应进一步增强。然而，分相在较重负载下表现出更好的效率。
体二极管导通效应与 N 相方案不同，会降低其在重负载应用中的效率 [1]。对于小于 2V 的反向偏压，在分相开关中，通过使用氮化镓代替硅来增加本征体二极管的正向电压 [1]。
N 相和分相开关可以使用相同的硬件，这使我们产生了用这两种硬件形成电路的想法。这样的电路似乎比单独使用它们中的任何一个更有利。这有助于最大限度地提高整个开关范围内的效率 [1]。两个开关的相级数中的相同相位可以充当合并点，并且可以用于将电路从一种开关方案转换为另一种开关方案[1]。
动态关断时间调制或脉冲频率调制可能进一步提高两个开关的轻负载效率[1]。
本文将讨论三个贡献。它将首先分析 N 相切换和分相切换 [6-7] 方案，对它们进行比较并突出它们的优点。对于小负载，N相方案效率更高，而分相方案适合较重负载。其次，CW 转换器通过分相时钟的应用进行了演示 [7,9]。第三，使用氮化镓FET进行了演示，产生了极高的功率密度，即483.3千瓦/升。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]。请在这里找到原始文章。
在本文中，将讨论 N 相和分相开关技术。它还将重点关注离散原型和测量结果。
操作原理
N相开关
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，相位级数图
如图 2 [1] 所示。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
将电流感应硬件与电感器串联来使用简化的电路。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 相开关电路显示出平滑的正弦电压转换，并且没有突然的电荷共享（图 3）。为了获得 160 欧姆的负载，需要使用 18 V 的输入电压和 N = 5 CW 转换器 [1]。通过红色开关可以看到 S5、S6 和 S9 处的电压应力。这表明负载增加可能会增加内部电压纹波，从而产生反向体二极管导通[1]。如果二极管的正向较大或电压较低，则由于二极管负载较重而导致的传导损耗可能会导致效率降低。 使用 N 相开关的 1:5 CW 转换器
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感负载电荷泵的有源开关方法[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，它意味着额外的感测电路。 图 4 中使用 1:5 CW 转换器来演示分相操作。为了初始化主相，必须初始化其子相，而这些是通过满足 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。为了启动阶段 1b，VC3 = VC4。同样，要进入阶段 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，其中第 2 阶段的 S5 和 S9 开关以及第 1 阶段的 S6 开关的 ZVS 以绿色表示。
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
与分相相比，N 相显示出更好的开关活动，每个周期有 13 个开关，分相仅显示 9 个开关，如图 2 和图 4 所示 [1]。然而，当相同组件以谐振方式运行时，N 相比分相慢 60%。因此，开关损耗降低的 N 相对于轻负载而言非常高效。在商业应用中，随着传感硬件要求的进一步降低，这种效应进一步增强。然而，分相在较重负载下表现出更好的效率。
体二极管导通效应与 N 相方案不同，会降低其在重负载应用中的效率 [1]。对于小于 2V 的反向偏压，在分相开关中，通过使用氮化镓代替硅来增加本征体二极管的正向电压 [1]。
N 相和分相开关可以使用相同的硬件，这使我们产生了用这两种硬件形成电路的想法。这样的电路似乎比单独使用它们中的任何一个更有利。这有助于最大限度地提高整个开关范围内的效率 [1]。两个开关的相级数中的相同相位可以充当合并点，并且可以用于将电路从一种开关方案转换为另一种开关方案[1]。
动态关断时间调制或脉冲频率调制可能进一步提高两个开关的轻负载效率[1]。
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