用於ET電源的多相三電平降壓變換器設計

作者 : Maurizio Di Paolo Emilio,Power Electronics News & EEWeb主編

透過設計ZVS低通濾波器,可實現20MHz 20MHz LTE封包訊號的追蹤,而多相降壓變換器則完成了既有相位的維護和電流平衡…

眾所周知,RF功率放大器(RFPA)需要龐大的冷卻設備,因為只要借助恆定的直流電源電壓供電,它就會散發熱量,所以通常冷卻設備都會佔據RF發射器系統的很大一部分。要提升RFPA的效率,根本原理和解決之道在於使用封包追蹤(ET)電源,因為這種電源調變器具有較高的峰-均峰值(PARP),圖1清楚地展示了一個ET功率放大器的簡單功能框架圖。

目前市場上已經有不同類型的ET電源,而且在各類型中都有進一步的定義,如線性放大器、開關變換器和線性輔助開關轉換器。測量高達20MHz的大訊號頻寬通常由單相或多相降壓轉換器進行追蹤,這種轉換器專用於4G LTE基地台。在這種應用中有一個常見的問題,即在高頻下對更高直流電壓的處理,本文討論並介紹了ET兩相三電平降壓轉換器及其各項優點,這種設計因其高開關頻率而具有較低的關斷開關損耗,因此適用於PARP ET電源和更高頻寬。另外,本文還說明了這種轉換器的工作原理和設計。

 

圖1:ET電源。

 

設計

圖2表示了這種兩相三電平降壓轉換器和ET應用零電壓開關(ZVS)四階輸出濾波器的功率級架構。RFPA的行為可從電阻負載RL中得知。圖3和圖4說明了在Vin/2處對飛跨電容兩端電壓的正確控制。當0 < D < 0.5時,每相開關節點電壓在0和Vin/2之間切換;當0.5 < D < 1時,電壓在Vin/2和Vin之間切換。可以注意到,4倍於元件開關頻率的波紋頻率存在於總電流IT中,最終帶來開迴路轉換器頻寬的增強和濾波器尺寸的縮小。

 

圖2:兩相三電平降壓變換器電路圖。

 

圖3:轉換器在0 < D < 0.5時的波形。

 

圖4:轉換器在0.5 < D < 1時的波形。

 

元件選擇

該設計選擇了EPC800系列eGaN FET,原因在於其具有超小尺寸、零反向恢復率和較低的開關損耗。圖5和圖6清楚地表示,相較於傳統同類設計,在高達50MHz的較高開關頻率下,最大額定功率為115W的三電平設計具有更高的效率。其低側MOSFET (LSM)包括頂部兩個元件S1x和S2x,以及底部兩個元件S3x和S4x。S1x和S2x將電感L1連接到輸入直流匯流排/電容的正極端子(稱為高側MOSFET,HSM);S3x和S4x將電感L1連接到地/飛跨電容的負極端子。在低側元件的閘極訊號中導入適當的延遲可以幫助實現LSM的ZVS導通;在高側元件導通時,存在一定的耗散,這是因為缺乏負導體電流來透過寄生電容進行充電/放電。如果在設計峰-峰波紋電流時,使其承載的電流是平均電流值的兩倍,則HSM的ZVS導通也可以實現。L1值的正確設置將有助於平衡相電流,而無需任何電流控制迴路的幫助。結果顯示,時間與充電/放電開關和電感負峰值電流,以及L1的最大值成反比關係,以實現高側開關的ZVS,以及專用於N相三電平變換器的負載電阻、開關頻率和工作週期。四階ZVS濾波器元件的負載電阻為6.6Ω,借助戴維寧(Thevenin)定理和疊加原理,簡化後的兩相三電平變換器電路如圖7所示。

 

圖5:傳統兩電平降壓轉換器的開關頻率與效率比較。

 

圖6:三電平降壓變換器的開關頻率與效率對比。

 

圖7:建議的兩相三電平降壓轉換器的等效電路。

 

結果與分析

在PLECS模擬環境中,20MHz頻寬ET訊號兩相三電平降壓轉換器的開關節點電壓和電感電流如圖8所示。可以注意到,在開關節點電壓為(1) 0V和15V或(2) 15V和30V時出現切換,具體取決於輸入封包命令值。與輸入電壓相比,GaN MOSFET兩端的電壓應力被降低和限制。在平均功率條件下,該轉換器在115W時具有97.5%的峰值效率,在26W時具有94.5%的平均頻率。可以看出,這種設計可以實現10dB PARP和90%以上的效率。

 

圖8:20MHz時兩相三電平降壓轉換器的開關節點電壓和電感器電流。

 

結論與未來應用範圍

本文介紹了適於更高頻寬ET應用的兩相三電平降壓變換器設計。功率損耗模型可協助最佳化轉換器的設計。透過設計ZVS低通濾波器,可實現20MHz LTE封包訊號的追蹤,而多相降壓變換器則完成了既有相位的維護和電流平衡。對於給定的設計額定值和PARP,與兩電平降壓轉換器相比,本文建議的兩相三電平降壓轉換器在平均功率方面效率更高。這種兩相三電平降壓轉換器的可擴展性也要高很多,可用於大功率ET應用,與此同時,它還可以實現更高頻寬和PARP,模擬結果證明了其原理和操作。

(參考原文:Multi-Phase Three-Level Buck Converter for Envelope-Tracking Power Supply,by Maurizio Di Paolo Emilio)

本文同步刊登於EE Times China 2020年9月號雜誌

 

 

 

 

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