扩展坞和高性能计算设备就是典型的例子，它们紧凑的机箱必须能够承受高功率。
传统的两电平DC-DC转换器虽然久经考验且应用广泛，但在这些应用场景中已接近性能极限。开关损耗、元件应力和散热限制已成为制约因素。三电平DC-DC转换器架构提供了一种解决方案，可显著提高效率、散热能力和功率密度。
三电平直流-直流转换器的工作原理：
三电平直流-直流转换器在输入电压和地之间引入了一个中间开关节点。与在整个输入电压上振荡开关节点不同，这种拓扑结构在每个开关周期内使用一对电容器（通常称为飞跨电容）将电压分成两半。
图 1：三电平与两电平 DC-DC 转换器拓扑结构
主要优势包括：
1. 降低开关电压摆幅：每个 MOSFET 仅承受一半的输入电压，从而降低开关损耗，并允许使用导通电阻 (RDS(on)) 更低的低压 MOSFET。2
. 降低元件电压：电容器、MOSFET 和磁性元件可从更高性能、更低电压的产品系列中选择。3
. 降低开关损耗：每次转换损耗的能量（与 V² 成正比）显著降低。
效率优势：
在高压降压场景中，三电平转换器通常可实现超过 98% 的效率。例如，在 48V 至 20V USB-PD EPR 级中，与两电平设计相比，开关损耗可降低 40% 以上。
散热优势：
- 更低的损耗意味着每瓦供电产生的热量更少。-
设计人员可以在不超出热限制的情况下降低散热或提高功率密度。
电感器和 FET (3N) 温度
图2：三电平和两电平DC-DC转换器的热性能比较
效率和热计算示例
为了说明三电平 DC-DC 拓扑结构的热优势和效率优势，我们考虑一个工作频率为 300 kHz、48 V 至 20 V、240 W 的 EPR USB-PD 级。以下计算采用实际但具有代表性的 MOSFET 参数，适用于两电平和三电平降压转换器。
假设：
- 输入电压 Vin = 48 V，输出电压 Vout = 20 V，输出电流 Iout = 12 A，频率 fs = 300 kHz
- 两级增益，传输时间/触发时间 tr/tf = 15 ns，总电容 Coss_total = 400 pF，总电容 Qg = 18 nC，导通电阻 Rds(on) = 10 mΩ（每个 FET，每条路径串联两个）
- 固定损耗（控制器等）= 0.25 W
开关损耗（P_sw + P_coss + P_gate）从两级电路的 3.04 W 降低到三级电路的 1.54 W。电感损耗从 2.2 W 降低到 0.98 W。在相同的 240 W 输出功率下，端到端效率从 96.9% 提高到 98.1%。
从热学角度来看，MOSFET 损耗的降低意味着结温升显著减小。例如，在两级电路设计中，温度最高的 MOSFET 的结温可能会比环境温度升高 76 °C，而在三级电路设计中，单个器件的功耗降低到约 0.85 W，在类似的冷却条件下，结温升仅为 42 °C。
实际应用案例：
三电平转换器的优势在紧凑型高功率应用中体现得最为明显，因为在这些应用中，每一瓦功率和每一立方厘米的空间都至关重要。在功率范围为 140W 至 240W 的 USB-PD 扩展功率范围 (EPR) 适配器中，更低的纹波电流和更小的器件应力使得电感器可以设计得更薄，从而打造出更小巧、更轻便、更易于用户握持的充电器。集成 USB-C 供电功能的扩展坞和显示器也受益于此，因为更小的散热面积允许设计人员集成多个高速数据端口，而无需笨重的散热器。在高性能计算环境中，例如服务器、AI 加速器和外围设备，三电平架构的效率可超过 98%，最大限度地降低散热开销，并在持续负载下保持可靠性。即使是具有长占空比的工业和医疗仪器也能受益于更小的磁性元件和更高的效率，从而延长系统寿命并降低能源成本。这些案例突显了三电平拓扑结构如何超越理论，在各个市场中带来切实优势。
结论：
三电平DC-DC转换器并非简单的改进，而是架构上的重大飞跃，朝着满足下一代电子产品的功率密度、效率和温度要求迈出了重要一步。通过将电压损耗和开关损耗减半，该拓扑结构实现了超过98%的效率、更低的元件温度和更高的可靠性。
对于在 USB-PD EPR 及以后的时代进行设计的工程师来说，采用三级架构可能是实现供电性能下一阶段飞跃的关键。.
作者：Alex Zhou，瑞萨电子产品营销总监
