开关电容的PWM DC - DC转换及其变化状况(译文)

开关电容的PWM DC - DC转换及其变化状况摘要：本文提出了一种新型开关电容脉宽调制（PWM）转换器。该转换器是一个开关电容和PWM转换器组合。它具有以下优点：

1)所有的MOSFET都是零电压开关；

2)自耦变压器自驱动的方法，不必调整同步整流器控制时序，因此大量减少了二

极管传导损耗；

3)对漏电感不敏感，因此可以使用独立的变压器，它同时适用于电压调节模块

（VRM）和虚拟咨询台（VRD）；

4)单相选择会更加灵活。在相位控制策略的整个负载范围内，它可以达到更高的

效率。构建一个700千赫l.2-V/35-A油料原型和一个四相700千赫l.2-V/130-A VRM原型是来验证分析。

索引词：负载点（POL）转换器，自驱动脉冲宽度调制解调器（PWM），开关电容转换器，零电压开关电容（ZVS）。

I.引言

计算机和电子通讯的新一代设备，它采用了开放式结构，模块化信号和数据的处理方法，因此有必要使用分布式电源系统。对互联网广告的使用需要配有先进的，高质量的基础设施和可靠的“电网”，从而自然而然采用分布式发电，配电，和调控。电力处理系统的未来发展，把几乎所有的电力负荷接到有能源来源的电力电子设备。先进的功率处理系统预计将达到完全可控，完全可重构，自治和可定制的平台，可应用在，诸如电信，计算机，互联网基础设施，汽车应用，航空航天的电力能源供应。这些先进的系统将被要求提供按需提供能源，并按任何速率和任何需要的形式下载。

为了支持技术的发展趋势，行业在每个电路板的定制，小型化功率负载点（POL）转换器上尝试收集功能更多和更先进的耗电的处理器。随着迅速增长计算机和电信应用，POL的DC - DC模块是变得越来越小。对于一些规模DC - DC模块，输出电压低于1V，输出电流要高得多。高功率密度和高效率是DC - DC模块制造商的主要目标。高开关频率也增加控制带宽，因为同一瞬态要求，以至于需要更少的输出电容器。然而，在同步整流（SR）下，传统的多相降压控制器在高频率下有几个严重的问题：高开关损耗，高驱动损耗，高体二极管损耗。一个自我驱动的零电压开关（ZVS）非隔离式全桥的DC - DC转换器，如图1所示。它的运作正如两相转换器，并使用交错控制。与传统的两相降压转换器对比，自驱动非隔离（ZVS）全桥直流直流转换器具有以下优点：

1)所有MOSFET的ZVS；

2)消除SR驱动器节省成本；

3)无需调整SR控制时间，因此，减少体二极管传导损耗；

4)显着减少关断损耗和反向恢复体二极管造成的损失延长工作周期；

图2显示了两种损失之间的细分比较，两相降压转换器和一个非隔离全桥变换器根据l.2-V/70-A输出和1MHz的开关频率。可以分析出产生的损失值。非隔离式全桥转换效率更高。然而，这种拓扑结构也有一些缺点。它必须在同一时间操作两相，即使在光负载条件。相较于传统的降压转换器，其中，运作相数可以减少到1负载两相操作，一直下降到没有负载，导致降低轻载效率。此外，变压器对漏感操作灵敏度使它一直被使用在VR中，其中需要离散磁场。此外，复杂的结构总是需要六台设备和两台驱动器，无论功率等级DC-DC转换器。

这反映了它的另一个独特的僵化缺点，尤其是低功耗应用。为了克服这些问题，本文提出一种新型单相开关PWM变换器和电容及它的变化。本文分析了它的工作原理，自我驱动的方法及优化设计。建立单相700kHz1.2-V/35-A输出油料原型和四相700kHz1.2-V/130-A输出VRM的原型来验证理论。实验结果表明，该拓扑是非常有前途的新型高频率的POL应用。

Ⅱ.对转换器小漏电感分析

为了创建一个单相转换器，非隔离全桥转换器可分为两个对称的部分。推导步骤是：1）改变变压器的极性; 2）在C点添加电容以及3）降低转换器的中点，获得两个单相变流器，使每转换器可以独立运作。推导过程如图3。

图4显示了新的单相转换器的主电路，关键波形，并进一步简化等效电路。假定变压器漏感可以忽略不计。在分析之前，做出如下假设：1）所有开关是理想的; 2）所有电容器和电感器是理想的；3）输出电容C0大到足以被视为作为一个电压源。该电路的工作原理为如下：

1)阶段1[t0，t1] [图4（c）]：Q1和S1打开。该输出电压V0反映到原边，并在系列与V C，然后平行V in,其作为一个开关电容转换器，具有良好的动态性能。

2)第2阶段[t1，t2] [图4（d）]：关闭Q1和S1，开启Q2。前者是跨复位，输出电压是受制于Q2的占空比，此时转换器作为一个PWM转换器。

从分析可以看出，新的转换器是由一个开关电容转换器和PWM转换器组合而成的。该开关PWM变换器的电容器，不仅保留了原来的转换器的优点，而且从开关电容转换器中取得了较好的动态性能优势。

开关电容PWM变换器是一种单相转换器。新的拓扑结构比非隔离式全桥变换器更灵活。根据不同的应用，优化阶段可以等同于满足效率和成本。每一相都是独立的。为了实现在整个负载范围内的高效率，采用逐步脱落控制策略，从而使转换器能够以最佳效率的工作，根据不同的负载条件。此外，非线性控制可以被用来在暂态时增加动态性能绩效。

III. 分析转换器中不可忽略漏感

在实际电路中，变压器的应用就意味着引入漏电感。如果漏电感小，其工作原理是提前给予。如果漏感很大而不能忽视，漏感会与各开关的输出电容产生共鸣，从而

使交换机可以实现零电压开关。本节详细介绍了有漏感的开关电容PWM 转换器的工作原理。图 5显示了关键的漏电感和主电路波形。其工作原理如下：

1)阶段1[t 0，t 1] [图 6（a ）]：Q 1和S 1导电，V 0与磁化电感L 1成反比，因此，i L 呈线性降低。变压器漏感L r 与阻隔电容器C b 产生共鸣。一部分输入能量储存在C b ，而其余的输入能量供给负载。

)(sin )

()(cos )()(i 01100010t t Z t V nV V t t t I t r r C in r L L b r r ---+-=ωω (1a)

)](cos 1)][([)(sin )()()(01001010t t t V nV V t t t I Z t V t v r C o in r Lr r C C b b b ----+-+=ωω (1b)

其中，b r r C L 11=ω,b

r C L r Z =1,n 是初级到次级绕组匝数比，I Lr (t0) 和 V Cb (t0)分别是在t 0点L r 的电流，C b 的电压。在t 1，Q 1和S 1是关闭的。该Q 1的关断电流是L r -C b 谐振网络决定的。对于一个给定的变压器，L r 是固定的。谐振网络可以很好地通过选择一个合适的C b ，从而Q 1实现零电流关断。因此，它对L r 的效率不敏感。这是转换器的一个重要优势。可以使用流行的离散变压器，以同时适用于VRM 和VRD 。

2)第2阶段[t 1，t 2] [图6（b ）]：在t 1时刻，Q 1和S 1是关闭的。 I s1是通过S 1的体内流二极管D S1的，i L 呈线性关系持续减少。I Lr .给C Q1充电和C Q2放电，因此

()1221121sin )

()(cos )()(t t Z t V nV V t t t I t i r r C o in r L L b r r ---+-=ωω (2a)

()()]cos 1[)(121t t w nV V t v r o in Q ---= (2b)

)](cos 1[)(1202t t nV V t v r in Q ---=ω (2c) 其中，）（2

121Q Q r r C C L +=ω , ）（211Z Q Q r r C C L += 3)第三阶段[t 2，t 3] [图6（c ）]：在t 2时刻，V Q2下降为零，Q 2可以打开。D s1持续通电。对 L r 和C b 谐震，i Lr 大幅降低到零

（3a ）

（3b ） 4)第四阶段[t 3，t 4] [图6（d ）]：在t 3时刻，i Lr 达到I L (t 3)/(n +1) ,D s1自然关闭。储 存在C b 和L 1的能量供给负载，并控制输出电压，变压器复位

()3333333sin )(V )(cos )()(t t Z V t t t t I t i r r o

C r L L b r r --+-=ωω （4a ）

)](cos 1)][([)(sin )()()(21021212t t t V nV t t t I Z t V t v r C o r Lr r C C b

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