通過設計ZVS低通濾波器，可實現20 MHz LTE包絡信號的跟蹤，而多相降壓變換器則完成了固有相位的維護和電流平衡。對于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。

RF功率放大器（RFPA）需要龐大的冷卻設備，眾所周知，因為只要借助恒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占據射頻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于使用包絡跟蹤 (ET) 電源，因為這種電源調制器具有較高的峰-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圖。目前市場上已經有不同類型的ET電源，而且在具體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20 MHz的大信號帶寬通常由單相或多相降壓轉換器來進行跟蹤，這種轉換器專用于4G LTE基站。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。本文討論并介紹了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，因此適用于PARP ET電源和更高帶寬。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清楚地表示了這種兩相三電平降壓轉換器和ET應用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中獲知。圖 3 和圖 4 表明了在 Vin/2 處對飛跨電容器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。我們可以注意到，4倍于器件開關頻率的紋波頻率存在于總電流 IT中，最終帶來開環轉換器帶寬的增強和濾波器尺寸的減小。 

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

器件選擇

該設計選擇了EPC800系列eGaN FET，原因在于其具有超小尺寸、零反向恢復率和較低的開關損耗。圖 5 和圖 6 清楚地表明，相比傳統同類設計，在高達50 MHz的較高開關頻率下，最大額定功率為115 W的三電平設計具有更高的效率。其低側MOSFET (LSM)包括頂部兩個器件S1x和S2x，以及底部兩個器件S3x和S4x。S1x和S2x將電感器 L1 連接到輸入直流總線/電容器的正極端子（稱為高側MOSFET (HSM)）；S3x和S4x將電感器 L1 連接到地/飛跨電容的負極端子。在低側器件的柵極信號中引入適當的延遲可以幫助實現 LSM的ZVS導通。1 在高側器件導通時，存在一定的耗散，這是因為缺乏負導體電流來通過寄生電容器進行充電/放電。如果在設計峰-峰紋波電流時，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于平衡相電流，而無需任何電流控制回路的幫助。結果表明，時間與充電/放電開關和電感器負峰值電流以及L1的最大值成反比關系，以實現高側開關的ZVS以及專用于N相三電平變換器的負載電阻、開關頻率和占空比。表 1顯示了四階ZVS濾波器元件的負載電阻為 6.6 Ω。借助戴維南定理和疊加原理，簡化后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 仿真環境中，20 MHz帶寬ET信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。我們可以注意到，在開關節點電壓為 (1) 0 V和15 V或(2) 15 V和30 V時出現切換，具體取決于輸入包絡命令值。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115 W時具有97.5%的峰值效率，在26 W時具有94.5%的平均頻率。我們可以看出，這種設計可以實現10-dB PARP和90%以上的效率。

圖 8：20 MHz時兩相三電平降壓轉換器的開關節點電壓和電感器電流

結論與未來應用范圍

本文介紹了適于更高帶寬ET應用的兩相三電平降壓變換器設計。功率損耗模型可幫助優化轉換器的設計。通過設計ZVS低通濾波器，可實現20 MHz LTE包絡信號的跟蹤，而多相降壓變換器則完成了固有相位的維護和電流平衡。對于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，可用于大功率ET應用。與此同時，它還可以實現更高帶寬和PARP。仿真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)

參考來源：

1. Multi-Phase Three-Level Buck Converter with Current Self-Balancing for High Bandwidth Envelope Tracking Power Supply Srikanth Yerra, Harish Krishnamoorthy Electrical and Computer Engineering University of Houston Houston, TX,

2. K.Moon, J.Kim, S.Jin, B.Park, Y.Cho, M.Park, and B.Kim, “Highly linear envelope tracking power amplifier with simple correction circuit,” in 2015 IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium (RFIC), May 2015, pp. 127–130.

3. S. Jin, K. Moon, B. Park, J. Kim, D. Kim, Y. Cho, H. Jin, M. Kwon, and B. Kim, “Dynamic feedback and biasing for a linear CMOS power amplifier with envelope tracking,” in 2014 IEEE MTT-S International Microwave Symposium (IMS2014), June 2014, pp. 1–4.

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10. (2019) EPC8009 – Enhancement Mode Power Transistor. (Online). Available: http://epc- co.com/epc/Portals/0/epc/documents/datasheets/EPC8009 datasheet.pdf

11. (2019) EPC8004 – Enhancement Mode Power Transistor. (Online). Available: http://epc- co.com/epc/Portals/0/epc/documents/datasheets/EPC8004 datasheet.pdf

責編：Amy Guan

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