《IEEE Open Journal of Power Electronics》：Single-stage Non-isolated High Conversion Ratio Step-down Converter for Voltage Regulation Modules
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本文针对数据中心48V总线至CPU/GPU等微处理器所需极低电压（如1.5V）的高效、高密度直接变换难题，提出一种新型单级非隔离超高降压比DC-DC变换器。通过引入钳位电容网络与并联辅助电感结构，在保持适中占空比（D≤0.25）的同时实现四倍于传统Buck电路的电压增益（VOUT/VIN=D/4），显著降低开关管电压应力至VIN/4。实验验证的25W/300kHz原型机峰值效率达92.54%，兼具自动均流、低电磁干扰与可扩展增益等优势，为48V电压调节模块（VRM）提供了更优的单级解决方案。
随着云计算和互联网服务的飞速发展，数据中心的能耗问题日益凸显。在这些数据中心里，成千上万的CPU、GPU、内存等核心部件需要稳定、高效的直流电源供电，这个任务就落在了电压调节模块（VRM）的肩上。为了减少电力传输过程中的损耗，提升整体效率，数据中心的供电架构正从传统的12V总线转向更高的48V总线。然而，这带来了一个巨大的技术挑战：如何高效、可靠地将48V的高电压一步到位地降至微处理器所需的1V左右的极低电压？
传统的解决方案往往采用两级式结构，即先将48V降至12V，再由多相Buck电路降至1V。但这种方案存在明显的短板：两级效率叠加后总效率难以突破85%，且系统体积庞大，功率密度低。另一种思路是使用隔离型变换器，通过变压器匝比来实现高压差变换，但昂贵的定制变压器和复杂的控制策略又成了新的障碍。那么，有没有一种方法能够“一步登天”，用单级电路直接实现48V到1.XV的高效变换呢？这正是发表在《IEEE Open Journal of Power Electronics》上的这篇论文所要解决的核心问题。
为了攻克这一难题，研究人员独辟蹊径，对最基础的Buck电路进行了“魔改”。他们巧妙地引入了一套由钳位电容和辅助电感组成的网络。你可以把这个网络想象成一个精密的“电压阶梯”，它将输入电压巧妙地分成了几等份。具体来说，研究人员设计了一个四电平的开关网络。每个高侧开关（S1H-S4H）的驱动信号彼此错开90度相位，使得钳位电容C1、C2、C3能够依次充放电，各自稳定在(3/4)VIN、(1/2)VIN和(1/4)VIN的电压。这样一来，施加在主电感L1上的有效充电电压被“抬升”了，从而在相同的占空比下，实现了高达D/4的电压增益（是传统Buck电路的四倍）。这意味着，要输出1.5V电压，所需的占空比不再是难以精确控制的1/32（约3.1%），而是更易于实现的12.5%。
这项研究的关键技术方法主要包括：1） 构建多电平开关网络，通过相位交错控制实现钳位电容的循环充放电；2） 采用主电感（L1）与多个辅助电感（L2-L4）并联的混合结构，主电感负责向负载传输能量，辅助电感则用于分担钳位电容的电流应力并实现自动均流；3） 选用低导通电阻的GaN开关器件（GS61008T）以降低导通损耗；4） 基于数字信号处理器（TMS320F280049）实现闭环控制，确保输出电压稳定。
稳态分析与性能比较
通过应用伏秒平衡原理对电感进行分析，推导出所提变换器的电压增益为 VOUT/VIN= D/4。开关管承受的电压应力显著降低，高侧开关S1H和所有低侧开关的应力仅为VIN/4，而S2H-S4H的应力为VIN/2，这使得可以采用性能更优的低压MOSFET或GaN器件。安秒平衡原理表明，辅助电感L2-L4的电流自动均分，且各自为输出电流的四分之一（IL2=IL3=IL4=IOUT/4），实现了无额外控制电路的天然均流。与系列电容Buck（SCB）变换器相比，所提变换器的辅助电感存在电流零状态，有助于降低电磁干扰（EMI），但其输出电流纹波仅由主电感L1决定，因此高于SCB变换器。
实验验证
为验证理论分析，研究人员研制了一台48V输入、1.5V/25W输出、开关频率为300kHz的原理样机。实验结果表明，在满载条件下，开关管S1H和S2H上的电压应力分别稳定在12V和24V，与理论分析（VIN/4和VIN/2）完全吻合。钳位电容C1、C2、C3上的电压也分别稳定在36V、24V和12V。电感电流波形清晰显示了主电感与辅助电感之间的自动均流特性。在负载从轻载（3A）到满载（17A）的瞬态跳变过程中，输出电压的过冲和下冲均小于10%，表现出良好的动态性能。整机峰值效率达到92.54%（60%负载时），满载效率为90.4%。当输出设置为1.8V时，峰值效率进一步提升至93.14%。
研究结论与意义
本研究成功提出并验证了一种适用于48V VRM应用的单级非隔离超高降压比DC-DC变换器。其核心贡献在于通过创新的多电平开关网络和混合电感结构，在无需变压器的情况下，实现了极高的电压转换比和低开关应力。该拓扑结构具备可扩展性，通过调整网络电平数（n）可灵活实现VOUT/VIN=D/n的增益，适应不同的应用需求。辅助电感带来的自动均流特性有效降低了元件的电流应力和导通损耗，提高了效率和功率密度。实验结果表明，该变换器在效率、功率密度和动态性能方面均优于许多现有的非隔离高降压比拓扑，为数据中心、电信设备等领域的下一代高效、高密度电源解决方案提供了有力的技术候选。
