1、耦合电感HSC的波形

每个开关周期，工作占空比D=0.5，两组开关管Q1、Q3、Q5和Q2、Q4、Q6交替开关工作，相位相差180度，输入电源对其中一个飞跨电容充电向输出负载传输能量，另一个飞跨电容放电实现电荷平衡，开关管工作在零电压ZVS软开关状态，耦合电感HSC变换器工作波形，如图1所示。

图1  工作波形

2、耦合电感HSC变换器电流与电压应力

耦合电感工作时，两个绕组磁势必须相等，即：电流流进绕组N1同名端形成磁势，等于电流流出绕组N2同名端形成磁势，N1=N2，因此，可以得到：

变换器工作在模式1时，Cr1与Cr2电流为：

代入后，得到：

图2  模式1工作电流

假定变换器工作频率等于谐振频率，输出直流电流为Io，等效交流输出峰值电流为Io(pk)，则有：

计算后，得到：

输出电流等于耦合电感绕组N1、N2电流之和：

代入后，得到：

谐振电容Cr1、Cr2峰值电流分别为：

两者开关管互补导通，各导通半个周期。下管Q3峰值电流、有效值分别为：

上管Q1、中管Q5峰值电流、有效值分别为：

模式3与模式1工作状态相同，因此，下管Q6峰值电流、有效值分别为：

上管Q4、中管Q2峰值电流、有效值分别为：

开关管Q1、Q3、Q5导通，中管Q2两端承受电压为Vin；开关管Q2、Q4、Q6导通，中管Q5两端承受电压为Vin。下管Q3、Q6承受电压为2*Vo，上管Q1、Q4承受电压为Vin/2。因此，每个开关管承受最大电压分别为：

3、耦合电感HSC变换器功率MOSFET管选型

（1）功率MOSFET管选型耐压选择

AI服务器电源直流输入电压范围为40-60V，正常工作中间电压为48V，如果输出电压为12V，使用耦合电感HSC变换器，上管Q1、Q4承受最大电压为30V，中管Q2、Q4两端承受最大电压为60V，下管Q3、Q6承受最大电压为24V。考虑到系统开始工作时，谐振电容相当于短路，上管Q1、Q4会承受较大瞬态电压，因此，上管Q1、Q4选择60V耐压功率MOSFET管，中管Q2、Q4选择80V耐压功率MOSFET管，下管Q3、Q6选择40V耐压功率MOSFET管。

实际应用中，为了减少功率MOSFET管使用型号，上管Q1、Q4，中管Q2、Q4都选择80V耐压功率MOSFET管。

如果输出电压需要进行调节，系统工作在硬开关状态，考虑到PCB回路寄生电感产生电压尖峰，上管Q1、Q4，中管Q2、Q4都选择80V耐压功率MOSFET管。下管Q3、Q6选择40V耐压功率MOSFET管。

（2）功率MOSFET管封装选择

HSC变换器体积小，密度大，通常选择DFN3*3封装，为了保证功率MOSFET管散热和EMI要求，选取源极Source在芯片底部、同时顶部开窗口裸露铜皮封装。功率MOSFET管源极在芯片底部，封装可以放置更大芯片获得更低导通电阻，特别是下管流过电流大，这样降低导通损耗；同时，源极可以连接到PCB大面积敷设铜皮的地，加强散热，提高效率。因为HSC变换器PCB整体尺寸小，功率MOSFET管仅依靠PCB散热达不到设计要求，顶部必须开窗口裸露铜皮，上面可以安装散热片，进一步加强散热，满足系统设计要求。

DFN3*3封装尺寸非常小，使用传统封装，栅极Gate管脚只有一个引出脚，而且尺寸非常小，系统进行TCOB测试时，很容易导致测试失败。源极在芯片底部，栅极管脚就容易放置在芯片底部中间，使其两侧应力受力均衡而；同时，加大栅极管脚尺寸，保证功率MOSFET管通过TCOB测试，如图3所示。

图3 DFN3*3封装栅极中间、顶部开窗

（3）功率MOSFET管导通电阻RDS(ON)选择

功率MOSFET管导通电阻RDS(ON)基于功率损耗来选择，HSC变换器软开关工作，没有开关损耗，只有导通损耗，输出电流最大时，导通损耗最大。通常，功率MOSFET管封装选定后，每个开关管容许最大功率损耗就可以确定，然后，选取合适功率MOSFET管型号，校核RDS(ON)是否满足要求。

每个功率MOSFET管损耗为：

其中，ID(rms)为功率MOSFET管电流有效值，a为功率MOSFET管导通电阻温度系数。

根据不同散热条件，DFN3*3封装设定最大功率损耗为0.5-1.5W。HSC变换器上表面安装有散热片，功率损耗可以选取为1.2W。

如果计算RDS(ON)无法满足要求，可以使用多管并联，并联数量为：

（4）功率MOSFET管选型实例

例如：Vin=40-60V，Po=1500KW，Vo=12V，采用耦合电感HSC变换器，功率MOSFET管都使用5.8V驱动，输入电压最低时，最大输出电流Io(max)=125A。

上管Q1、Q4和中管Q2、Q5选择80V耐压功率MOSFET管AONC68816，AONC68816规格为：BVDSS=80V，RDS(on)=5.8mOhm(max)、4.6mOhm(typ)@ VGS=4.5V；RDS(on)=4.7mOhm(max)、3.9mOhm(typ)@ VGS=10V。

图4  AONC68816规格

取a=1.6，计算得到：

取N=2，上管Q1、Q4和中管Q2、Q5需要两颗AONC68816并联，总共8颗。

下管Q3、Q6选择40V耐压功率MOSFET管AONC68410，下管规格：BVDSS=40V，RDS(on) =1.9mOhm(max)、1.5mOhm(typ)@VGS=4.5V。

取a=1.4，得到：

取N=3，下管Q3、Q6需要三颗并联，总共6颗。