随着消费电子与工业电子设备朝着小体积、高功率的方向发展，设计人员面临着一项愈发严峻的挑战：如何在不产生过热问题、不牺牲设备可靠性的前提下，实现高效率的电能转换。这一挑战在部分应用场景中尤为突出，例如 USB 供电扩展功率范围(USB-PD EPR)适配器、扩展坞以及高性能计算设备，这类设备往往需要在紧凑的外壳内，持续处理高功率的电能。

传统的两电平 DC-DC 转换器虽然技术成熟、应用广泛，但在上述场景中已经触及性能天花板。开关损耗、元器件电压应力以及散热限制，都成为了制约其性能提升的关键因素。而三电平 DC-DC 转换器架构则为解决这些问题提供了新思路，能够显著提升转换效率、增大散热余量并提高功率密度。

三电平 DC-DC 转换器的工作原理

三电平 DC-DC 转换器在输入电压与接地端之间，增设了一个中间开关节点。该拓扑结构通过一对电容(通常称为飞跨电容结构)，在每个开关周期内将输入电压一分为二，避免开关节点承受完整的输入电压波动。

图1

其核心优势如下：

1. 降低开关管电压摆幅—— 每个金属 - 氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)仅需承受一半的输入电压，既降低了开关损耗，又能够选用耐压值更低、导通电阻(RDS(on))更小的 MOSFET。

2. 减小元器件电压应力—— 电容、MOSFET 以及磁性元件均可选用高性能、低耐压等级的产品系列。

3. 降低开关损耗—— 开关过程中的能量损耗与电压平方(V2)成正比，电压减半后，开关损耗大幅降低。

效率优势

在高压降压应用场景中，三电平转换器的转换效率通常可超过 98%。例如，在 48V 转 20V 的 USB-PD EPR 电路中，与两电平设计相比，开关损耗可降低 40% 以上。

散热优势

· 损耗降低意味着单位输出功率的发热量更少。

· 设计人员可以减小散热片体积，或是在不突破散热极限的前提下，进一步提升功率密度。

图2

效率与散热计算实例

为直观展现三电平 DC-DC 拓扑的效率与散热优势，我们以一个工作频率 300kHz、输出功率 240W 的 48V 转 20V USB-PD EPR 电路为例，基于符合实际的 MOSFET 参数，对两电平和三电平降压转换器进行对比计算。

计算假设

· 输入电压 Vin = 48V，输出电压 Vout = 20V，输出电流 Iout = 12A，开关频率 fs = 300kHz

· 两电平方案：开关上升 / 下降时间 tr/tf = 15ns，输出电容总容值 Coss(total) = 400pF，栅极电荷 Qg = 18nC，单管导通电阻 RDS(on) = 10mΩ

· 三电平方案：开关上升 / 下降时间 tr/tf = 12ns，输出电容总容值 Coss(total) = 600pF，栅极电荷 Qg = 12nC，单管导通电阻 RDS(on) = 6mΩ(每路串联两个开关管)

· 固定损耗(控制器等)= 0.25W

表1

计算结果

开关相关损耗(开关损耗Psw + 输出电容损耗Pcoss + 栅极驱动损耗Pgate)从两电平方案的 3.04W，降至三电平方案的 1.54W;电感损耗从 2.2W 降至 0.98W。在输出功率同为 240W 的情况下，端到端转换效率从 96.9% 提升至 98.1%。

在散热方面，单个 MOSFET 损耗降低，使得结温温升显著下降。本实例中，在相同散热条件下，两电平方案中温度最高的 MOSFET，其结温较环境温度升高 76℃;而三电平方案中单个器件的损耗降至约 0.85W，结温温升仅为 42℃。

实际应用案例

三电平转换器的优势，在对功耗与体积要求严苛的紧凑型高功率设备中体现得最为明显。

USB-PD EPR 适配器：在输出功率 140W-240W 的 USB-PD EPR 适配器中，更低的纹波电流与器件应力，可实现电感的小型化设计，直接推动充电器向更轻薄的方向发展，同时提升用户手持时的散热体验。

扩展坞与集成 USB-C 供电的显示器：更小的散热面积，让设计人员无需依赖笨重的散热片，就能集成更多高速数据接口。

高性能计算设备：在服务器、人工智能加速器以及边缘计算设备中，三电平架构的转换效率超过 98%，能够在保证设备持续负载可靠性的同时，降低散热系统的设计成本与运行功耗。

工业与医疗仪器：对于长时间工作的工业与医疗仪器而言，更小的磁性元件体积与更高的转换效率，不仅能延长系统使用寿命，还能降低能耗成本。

这些案例充分证明，三电平拓扑并非停留在理论层面，而是能够在多个行业领域，为产品带来实实在在的性能提升。

供电性能的下一次飞跃

三电平 DC-DC 转换器并非对传统方案的小幅优化，而是一次里程碑式的架构革新，其设计目标正是满足下一代电子设备对功率密度、转换效率与散热性能的严苛需求。通过将器件电压应力减半、大幅降低开关损耗，该拓扑成功实现了 98% 以上的转换效率，有效降低元器件工作温度，提升设备可靠性。

对于身处 USB-PD EPR 及更高功率时代的工程师而言，采用三电平架构，或许正是实现供电性能跨越式提升的关键所在。