任意波形发生器(AWG)是一种大信号幅度、高频波形发生器，需要开关电源变换器来实现其严格的高带宽和高效率瞬态性能规范。
在本文中，介绍了一种AWG设计，该设计使用具有八电平飞跨电容的FCML变换器。为确保飞跨电容电压在稳态和瞬态条件下保持平衡，使用了一种基于占空比补偿的主动控制系统。这确保了功率级和电压控制器可以快速响应参考波形的瞬变。
大信号、高功率任意波形发生器是半导体生产以及其他需要精确跟踪各种波形模式(例如阶跃、斜坡、正弦波，或它们的组合)的工业和医疗应用中使用的关键设备。与传统的直流稳压器或正弦波逆变器相比，AWG中的开关模式电源变换器具有不同的设计要求。
由于其高功率密度、多层结构可实现更高的有效开关频率，同时可以降低电压应力并提高效率，FCML变换器引起了广泛关注。不过，要充分利用FCML，必须平衡飞跨电容电压。
本文建议使用GaN器件设计基于八电平FCML变换器的AWG。使用基于占空比补偿的主动控制策略平衡飞跨电容电压，并通过在输出电压回路中使用PID补偿器实现快速参考跟踪性能。
构建了一个八电平FCML原型，并使用FPGA和微控制器(MCU)的组合实现了数字控制器。该原型功率为500W，输入电压为200V，输出电压范围为25V～180V，最大输出电流为2A，频率在200～400kHz之间频繁的切换。飞跨电容电压在实验中得到很好的平衡和严密调节，并获得了输出电压瞬变(包括阶跃、正弦、斜坡和25V至180V之间频繁的任意电压瞬变)的结果。
图1显示了一个标准的八电平任意波形发生器FCML，包括七个互补开关对，每个开关对都以开关频率fs工作。采用移相脉宽调制(PS-PWM)来生成开关栅极脉冲，从而在开关节点(VSW)产生7fs的有效频率，从而减小输出滤波器的尺寸(Lf和Cf)。理想工作条件下，飞跨电容C1、C2、C3、C4、C5、C6两端电压分别为6VIN/7、5 VIN /7、4 VIN /7、3 VIN /7、2 VIN /7、VIN /7。
图1：八电平FCML变换器
输出滤波电容Cf的设计应尽量减少瞬态恢复时间tr，如图2所示。从电容电荷平衡来看：
方程式1
其中：ipk是瞬态恢复期间的峰值电容电流。当所有FET在一定时间间隔t1同时导通，然后在一定时间间隔t2一起关断时，可能获得最小的恢复时间。
因此，t1=(ipk/m1)，其中m1=(VIN-VREF1)/Lf。类似地，t2=(ipk/m2)，其中m2=(VREF1/Lf)。从(I)可以得到tr为：
方程式2
其中：VREF1是ΔVREF的参考电压发生阶跃变化之前的初始电压。对于具有最大可能ΔVREF的最小期望tr，可以直接从(2)获得所需的Cf值。
图2：电容在瞬态响应期间的电流和电压波形
用于平衡飞跨电容和输出电压控制器的电路框图如图3a和3b所示。通过设置控制输出VCON将输出电压调节至所需的VREF。飞跨电容电压平衡回路以ΔVCON的形式对每对半桥开关单元的总控制输出进行轻微调整。
所有FET的阻断(关断状态)电压由下式给出：
方程式3
从(3)中，我们可以看到C1两端的电压可以通过对开关对(S1,/S1)和(S2,/S2)的占空比进行小幅调整来控制。同样的事情也适用于其他飞跨电容C2-C6。
典型的PID补偿器是为输出电压回路设计的，而PI补偿器则用于飞跨电容平衡回路。采用传统的PS-PWM方案，然后是锁存器和死区时间逻辑电路，为每个单独的开关对生成栅极信号(u1、u2、u3、u4、u5、u6和u7)。
图3a：飞跨电容电压平衡控制方案
图3b：数字控制器的实现
基于八电平FCML的任意波形发生器原型如图4所示，实验验证参数规格为VIN=200V，VO=25-180V，R=100Ω，Lf=10µH，Cf=6.8nF，fs=200-400kHz，C1、C2、..、C6=10µF。
图4：八电平FCML的原型
主动平衡方法通过故意添加更大的时序失配以在飞跨电容电压中引起一些不平衡来验证。
图5a显示了在故意引起电容电压不平衡且禁用平衡回路的情况下的稳态开关节点电压波形，而图5b、c和d显示了启用平衡回路稳态开关节点电压波形。
图5：说明飞跨电容电压平衡的稳态开关节点电压波形
在VIN=200V和R=100Ω时，输出电压在30V和180V之间的频繁阶跃瞬变下的实验波形，其中VREF每20µs阶跃变化如图6a所示。图6b显示了对VREF从25V到160V的锯齿斜坡变化的响应，频率为40kHz，压摆率为5.4V/µs。类似地，图6c显示了在20kHz的参考频率下对参考电压从25V到180V的正弦变化的响应。
图6：各种参考波形的跟踪性能
实验结果表明，该原型能够以高跟踪带宽跟踪各种参考波形。
(原文刊登于EDN姊妹网站Power Electronics News，参考链接：Arbitrary Waveform Generator based on Flying-Capacitor Multilevel Converter，由Ricardo Xie编译。)
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