隔离飞跨电容器多电平反激转换器（FCMFC）是一种通过引入飞跨电容器来提高传统反激式转换器效率和增益的创新拓扑结构。它通过增加电压增益并保持初级和次级之间的隔离，提高了功率转换器的能力，并在一定程度上克服了传统反激变压器电路的效率限制。此种拓扑结构的核心优势在于其增益倍增效应，随着电压级别的增加，增益也随之显著提高。

FCMFC 的工作原理

FCMFC 的工作状态通常涉及多个阶段的电能传递。在一个简单的 N=3（即三个电压级别）结构中，飞跨电容器通过充电和放电机制实现电能的传递。每个飞跨电容器的作用是增加输出电容的能量，最终提高系统的电压增益。

1. 状态 1：充电磁化电感
   初始阶段，开关 S 接通，双绕电感器开始通过输入电流充电，电感器的磁场被激发。

2. 状态 2：充电飞跨电容器
   当 S 关闭并且 S2 开启时，电流通过 D1、S2 和 D3 将电感器的能量传输到飞跨电容器 C1。

3. 状态 3：输出级充电
   在 S1 开启时，飞跨电容器将电能传输到输出电容。此阶段主要依赖电感和飞跨电容器的协同作用，增加输出电容的能量储存。

电压增益与转换比

FCMFC 系统的电压增益可以通过公式计算得到：

$$M(D) = \frac{V}{V_{in}} = \frac{n(N-1)D}{1-D}$$M(D)=VinV=1−Dn(N−1)D

在该公式中，$V$V 是输出电压，$V_{in}$Vin 是输入电压，$D$D 是开关的占空比，$N$N 是电压级别数，$n$n 是变压器的匝数比。随着$N$N 的增加，增益呈倍增效应。例如，使用一个飞跨电容器时，增益会增加一倍；使用两个飞跨电容器时，增益会增加三倍，依此类推。

图示的增益曲线表明，在相同的变压器匝数比下，FCMFC 的增益显著高于传统的反激式转换器。通过调整占空比，FCMFC 能够在较低占空比的情况下达到更高的增益，从而在效率和功率密度上都获得显著优势。

硬件损耗与效率

尽管理论上增益随着电压级数的增加而增加，但硬件实现中的损耗会影响实际性能。例如，在高达 90% 占空比时，传导损耗可能会对 N4 级别的转换器产生更大的影响，因此 N3 转换器往往比 N4 转换器更具增益优势。尽管高阶多电平转换器的增益较大，但它们可能面临更复杂的设计和更高的损耗。

磁化电流和纹波

FCMFC 中的平均磁化电流与传统反激转换器相似，但由于多级结构，每个电压级别的影响会使磁化电流的纹波有所不同。随着$N$N 的增加，转换器的输入电流保持一致，但由于减小占空比，初级电感器上的纹波电流会显著减少。

公式（2）和（3）提供了磁化电流和纹波电流的计算方法，表明磁化电流受多个因素影响，包括电感器的大小、输入电压、占空比和开关频率。

峰值电流与缓冲电路

在 FC-MFC 设计中，峰值电流是一个关键问题，尤其是在 MOSFET 关断时，由于漏感效应会产生较大的电压尖峰。为了解决这个问题，通常使用齐纳缓冲器来降低开关节点的电压尖峰，并保护 MOSFET 免受过高电压的损害。齐纳缓冲器通过串联齐纳二极管与肖特基二极管实现，能够有效消耗泄漏电流，防止过电压。

功率损耗与效率提升

通过引入 FCMFC 结构，尤其是在次级侧使用低额定值 FET，能够显著减少功率损耗。对于 N3 和 N4 转换器，功率损耗相比传统反激式转换器显著降低，特别是在峰值电流的情况下。对于高阶转换器，尽管峰值电流较大，但由于输出电压的反射较小，功率损耗依然低于传统反激转换器。

总结

FCMFC 作为一种新型的多电平转换器，凭借其增益倍增效应和较低的功率损耗，展示了在高增益和高效率 DC-DC 转换中的巨大潜力。虽然增益随着电压级数的增加而提升，但硬件的损耗和复杂性也是设计中需要平衡的因素。在多级结构中，较低的占空比和适当的磁化电流控制是实现最佳性能的关键。