為了實現高功率密度，使用了混合電感電容開關轉換器。這些混合電感電容開關可防止瞬態浪涌電流，這通常會導致傳統開關電容轉換器的輸出損耗 [2-5]。許多不同的轉換器拓撲結構可以輕松混合，并有助于從軟充電操作中受益。然而，圖 1 中的 Cockcroft-Walton 是一種首選拓撲，因為它提供的開關和電容器電壓應力較小 [6]。

本文將討論三個貢獻。它將通過介紹它們之間的比較并突出它們的優點來初步分析 N 相開關和分相開關 [6-7] 方案。對于小負載，N 相方案更有效，而分相方案適用于較重的負載。其次，CW 轉換器通過應用分相時鐘進行演示 [7,9]。第三，進行了使用氮化鎵場效應晶體管的演示，產生了極大的功率密度，即 483.3 kW/L。這伴隨著柵極驅動器集成電路和高密度隔離電平移位的應用[9-11]。請在此處找到原始文章。

圖 1：Cockcroft-Walton 轉換器電路

在本文中，將討論 N 相和分相開關技術。它還將關注離散原型和測量結果。

操作理論

N相切換

對于將 N 相時鐘方案應用于 1:n 混合 LC CW 轉換器的 N = 5 電路

，圖 2 [1] 顯示了相位級數圖。當單個

有源電壓環路通過電感器時，每個開關都會經歷零電流開關。為了監控 N 相，通過

將電流檢測硬件與電感器串聯使用一個簡化的電路。這減少了靜態電流消耗

與使用多個傳感器的分相開關進行比較。該 N 相開關電路顯示電壓的正弦轉換，平滑且沒有突然的電荷共享(圖 3)。為了獲得 160 歐姆的負載，18 V 的輸入電壓與 N = 5 CW 轉換器一起使用 [1]。紅色開關可以看到 S5、S6 和 S9 處的電壓應力。這表明增加的負載可能會增加內部電壓紋波，從而產生反向體二極管導通 [1]。如果二極管正向較大或電壓較低，由于二極管負載過重，這種傳導損耗可能會導致效率降低。

圖 2：使用 N 相開關的 1:5 CW 轉換器的不同相位

圖 3：N 相開關波形

分相切換

分相時鐘方案能夠以更高的輸出功率實現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方法，這些電荷泵以電感方式加載 [1]。它依賴于零電流開關和定時敏感的零電壓開關，因此，與 N 相開關相比，它意味著額外的感測電路。

1:5 CW 轉換器用于演示圖 4 中的分相操作。要初始化主相，必須對其子相進行初始化，這些都是通過滿足 ZVS 條件來完成的。這些條件讓開關 S6 啟動階段 1，S5 和 S9 啟動階段 2。要接合階段 1b，VC3 = VC4。類似地，要進行階段 2c，VC2 = VC3。快速電容器上的平滑電壓轉換表明平滑、無突變的傳輸。開關電壓應力如圖 5 所示，ZVS 以綠色表示第 2 階段的 S5 和 S9 開關和第 1 階段的 S6。

圖 4：使用分相開關的 1:5 CW 轉換器的不同相位

圖 5：分相開關波形

比較

如圖 2 和圖 4 [1] 所示，與分相相比，N 相顯示更好的開關活動，每周期 13 次開關，分相僅顯示 9 次開關循環。然而，當相同組件在諧振下運行時，N 相比分相慢 60%。因此，具有降低開關損耗的 N 相對于輕負載是有效的。在商業應用中，隨著傳感硬件要求的進一步降低，這種影響會進一步增加。然而，分相在較重的負載下表現出更好的效率。

體二極管導通效應不同于 N 相方案，并導致其在重負載應用中的效率降低 [1]。對于小于 2V 的反向偏置，在分相開關中，使用氮化鎵代替硅 [1] 會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，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使用它們中的任何一個都更有益。這有助于最大限度地提高整個開關范圍內的效率 [1]。兩個開關的相位進程中的相同相位可作為合并點，并可用于將電路從一種開關方案轉換為另一種方案 [1]。

動態關斷時間調制或脈沖頻率調制可能進一步暗示提高兩個開關的輕載效率 [1]。

原型設計

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，最大失調電壓為 100 V，柵極驅動器電路和功率級如圖 7 所示，而 5.6 V 的齊納二極管用作高速電壓穩壓器 [1] .

圖 6：原型

圖 7：功率級和柵極驅動器自舉電路

結果

在圖 8 和圖 9 中，可以很容易地觀察到 N 相和分相開關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：測量的輕負載效率與輸出功率

結論

本文演示了 N 相和分相混合電感電容器開關的應用。結果證明，Cockcroft-Walton 拓撲中的分相開關方法允許高電荷密度并且對重負載應用有效，而 N 相方案對于輕負載應用非常有效。它展示了這兩種方案的成功和有用性，同時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