Fast charging techniques supply various input voltages to deliver power to battery-operated mobile devices. This paper presents a 3-level buck converter for battery charger application. A new 3-phase operation is proposed to solve the unstable output voltage regulation issue of the 3-level buck converter when the voltage conversion ratio is near 0.5. With the 3-phase operation, stable output regulation is guaranteed by regulating the flying capacitor voltage to larger than 0.5Vin. The proposed converter covers full voltage conversion ratio with inductor current slope information, allowing smooth mode transition depending on the system condition. The current hysteretic control optimizes efficiency according to the input voltage, and the minimized switching frequency at the 3-phase operation mode enables the converter to operate with more than 94% efficiency over a wide load range.
급속 충전 기술은 큰 용량을 가지는 모바일 배터리의 빠른 충전을 위해 기기에 기존보다 높고 다양한 전압을 공급한다. 본 논문은 급속충전을 지원하는 배터리 충전용 3-레벨 벅 컨버터 설계에 관한 논문으로, 넓은 전압변환율에서 안정적인 전압 레귤레이션을 위한 새로운 동작방법을 제안한다. 제안하는 방법은 3-레벨 벅 컨버터의 동작 모드 경계에서 플라잉 캐패시터(flying capacitor) 양단 전압을 0.5Vin보다 높은 값에 레귤레이션하여 동작 모드 경계에서 불안정한 출력 전압 문제를 해결하였다. 인덕터 전류 기울기 정보를 통해 시스템 내부 동작 조건에 따라 자연스러운 모드 전환을 하여 넓은 전압변환율에서 동작하며, 히스테레틱(hysteretic) 컨트롤을 사용하여 넓은 입력 전압범위에 걸쳐 효율적인 동작이 가능하다. 특히 두 동작 모드 경계에서는 제안하는 새로운 스위칭 방법으로 스위칭 주파수를 최소화함으로써 모든 로드 범위에서 94% 이상의 효율을 가진다.
