当使用中间总线电压，且需要根据输入电压进行降压或升压时，降压-升压变换器非常实用。本文探讨了一种新颖的实现方式，即在多电平飞电容式降压-升压变换器中采用基于氮化镓(GaN)的单片双向开关。

降压-升压变换器

在许多依赖电池或燃料电池进行储能和备用的应用中，降压-升压变换器对于在各种变化的工作条件下(例如电池荷电状态变化引起的变化)提供稳定电源起着至关重要的作用。电动垂直起降飞行器就是一个例子。这些应用对变换器的一些关键要求是：更高的转换效率、更高的质量功率密度以及双向功率流能力。

考虑图1(a)所示的基本非反相降压-升压变换器。

虽然其控制和设计简单，但一个关键缺点是电感L的尺寸，它可能决定了变换器的尺寸和重量。电容器的能量密度大约是电感器的1000倍。

开关电容变换器已有多种实现版本。其中最常见的可能是多电平飞电容变换器。虽然采用多电平架构会增加器件数量，但可以实现多项优势。

图1

由于电压在各电平之间有效分配，因此可以使用额定电压更低的开关器件。与高压器件相比，这些器件在导通损耗和开关损耗方面通常具有更优的品质因数。热问题分散在各个电平上，因此更容易全面处理。还可以实现更高的效率，同时具有更低的谐波失真和电磁干扰。

图1(b)展示了一个多电平飞电容式降压-升压变换器。降压级和升压级本质上是背对背连接的，其主要优势之一是只需要一个电感。对于给定的电感纹波电流，所需电感的尺寸随(N-1)² 的倍数缩小，其中N是使用的电平数。

降压-升压变换器中的单片双向开关

虽然图1(b)所示的多电平飞电容变换器在使用电容切换且仅需一个电感方面具有多项优势，但将其用作降压-升压变换器时也存在一些缺点：

在升压或降压模式下，有四分之一的开关被强制导通。例如，从Vin到Vout的升压模式需要SA1和SA2强制导通，而SA1'和SA2'则关断。这会导致更高的导通损耗。

一半的飞电容同样未被使用。因此，在上述示例的升压模式下，电容器CA1不会被用于储能或能量传递。

由于在上述升压模式示例中未使用电容器CA1，它会通过其泄漏电阻开始放电。如果变换器需要在升压和降压模式之间切换，这会影响其性能。

针对这些问题已有解决方案，但需要增加额外的开关，这会增加复杂性，也可能对整体效率和功率密度产生负面影响。

单片双向开关本质上是在单个器件中创建两个背对背的场效应晶体管。横向氮化镓高电子迁移率晶体管是制造这些开关的良好候选方案，包括英飞凌、瑞萨、英诺赛科和纳微半导体在内的多家公司都提供双向开关器件。这些器件的更高电压版本通常包含一个合并的中央漏极以及两个栅极和源极端子。

该器件本质上能够在任一电压极性下(即漏极电压高于或低于源极电压)维持关断状态。这些双向开关器件带来了许多功率转换优势，例如在交-交应用中(可以省去中间的直流环节)、在维也纳整流器和T型变换器中(背对背器件可用单个双向开关器件替代)，以及在交流固态断路器和电池断路应用中。使用氮化镓创造了多项优势，例如能够实现高效快速开关。单片集成用单个器件取代了四个有源器件。

美国麻省理工学院的Samantha Coday教授及其团队展示了一种在多电平飞电容变换器改进版本中使用氮化镓双向开关器件的新颖方法。图2展示了该变换器的2电平版本，称为紧凑型降压-升压变换器。

其基本思想是合并图1(b)所示多电平飞电容变换器的两侧，并用单个双向开关器件(图2中的S1')替换降压侧和升压侧的开关。对于引入稳压所需的电感，有多种选择。在图2所示的版本中，使用了一对输入电感(L1和L2)，模仿了输入电感降压变换器。如图2所示，通过操作S1和S1A，可以选择降压或升压模式。与图1(a)所示的非反相降压-升压变换器相比，输入电感型紧凑型降压-升压变换器少了一个有源开关，增加了一个电感。

图2

紧凑型降压-升压变换器的特性

与非反相降压-升压变换器和多电平飞电容变换器相比，紧凑型降压-升压变换器的一些关键特性如下：

导通损耗更低：如前所述，因为使用了更少的有源器件，并且没有强制导通的开关。仿真表明，随着电平数N的增加，这一优势更加明显。对于N=6，紧凑型降压-升压变换器与降压-升压型多电平飞电容变换器相比，该指标约有2倍的提升。

开关损耗：取决于每个开关上的电压和电流，在这些不同拓扑结构之间是相当的。

电容利用率：在紧凑型降压-升压变换器中得到提高。

在相同电平数下，紧凑型降压-升压变换器两个输入电感上的总纹波电流与非反相降压-升压变换器或多电平飞电容降压-升压变换器相同;该版本紧凑型降压-升压变换器中增加的电感确实使其电感体积大于多电平飞电容变换器。

通过计算无源元件利用率及其质量能量密度，可以针对给定的能量转换确定变换器内无源元件之间的重量比。这取决于N以及其它因素，例如转换中使用的占空比。仿真显示，与非反相降压-升压变换器相比，紧凑型降压-升压变换器有显著改进，尤其是在N增加时。

除了输入电感设计，另一种方法是使用单个返回路径电感，它放置在输入端到输出端的负极端子之间。这减小了电感体积，但代价是产生高频共模电压。在某些应用中(例如用于电机驱动的三相直流-交流Y型变换器)，这种用法可能是有益的。

无源器件的选型以多种方式影响紧凑型降压-升压变换器的性能。图2(a)中电容器Cb上的纹波会影响双向开关所承受的应力，从而决定其电压额定值。输入电感L1和L2与Cb一起构成一个谐振回路，因此需要考虑它们的谐振频率。此外，这些因素还会影响电压转换比。

紧凑型降压-升压变换器硬件验证

作者搭建了一个灵活的硬件原型，以演示该变换器在3电平版本下的可行性。

使用了Transphorm(现已被瑞萨收购)的氮化镓双向开关器件，以及其他开关所用的传统氮化镓高电子迁移率晶体管。由于双向开关器件不以地为参考，因此使用了传统栅极驱动器以及信号/电源隔离器。

该1千瓦变换器的输入电压规格为200-500V，输出电压为270V，开关频率为100kHz。在该原型上，降压和升压模式均展示了超过95%的良好效率。为了比较变换器之间的无源元件重量比，还制作了具有相同效率的非反相降压-升压变换器原型。紧凑型降压-升压变换器在这一重要指标上具有3倍的优势，这与仿真结果非常吻合。