【導讀】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)。
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：
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(來源：EDN姊妹網站《電子工程專輯》，作者：Maurizio Di Paolo Emilio)
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