數(shù)字服務和互聯(lián)網(wǎng)流量需求的快速增長、人工智能系統(tǒng)的激增以及計算能力的持續(xù)增長正在推動數(shù)據(jù)中心和服務器機架電源管理解決方案的重大技術改進。48 V 的能量分配可顯著降低損耗，但需要非常高效且高功率密度的轉(zhuǎn)換器靠近負載。

　　由于其高效率、高功率密度和良好的動態(tài)響應，LLC 諧振轉(zhuǎn)換器已成為中間 48 V 至 12 V 轉(zhuǎn)換的首選拓撲。該拓撲結(jié)構(gòu)與GaN 晶體管相結(jié)合的卓越性能已得到證明。本文介紹了最新一代 GaN 器件如何不斷突破極限。

　　EPC 發(fā)布了 EPC9159KIT，這是之前 48 V 至 12 V LLC 轉(zhuǎn)換器模塊的延續(xù)，經(jīng)過更新，組裝到模塊中時可實現(xiàn)超過 5 kW/in 3的功率密度。當向 12 V 負載提供 1 kW 功率時，部分功率技術可實現(xiàn)超過 97.5% 的峰值效率和超過 95.5% 的滿載效率。

　　轉(zhuǎn)換器概述

　　EPC9159KIT 中的LLC諧振轉(zhuǎn)換器基于初級全橋，配有 3:1 變壓器和中心抽頭全波同步整流器。初級使用四個 EPC2619 eGaN 晶體管，次級使用六個 EPC2067 eGaN FET 晶體管。使用變壓器漏感和兩個額外的外部電感器將諧振回路調(diào)諧至大約 1.8 MHz，如圖 1 所示。

圖1

　　此外，EPC9159KIT 利用 LLC 拓撲固有的電氣隔離來實施部分功率技術，并實現(xiàn)更高的效率和電流能力。當配置為部分功率模式時，轉(zhuǎn)換器的輸入輸出電壓比為 4:1，并且可以將高達 1 kW 的功率從 48 V 電源處理為 12 V 負載。在此模式下，初級全橋 (0VHV) 的返回浮動在輸出電壓 (VLV) 之上，并且變壓器僅處理 75% 的輸出功率。EPC9159KIT 還可以配置為直通電源模式，具有 3:1 輸入輸出電壓比和最大電壓。36 V 電源為 12 V 負載提供 750 W 的額定功率。在此模式下，變壓器處理 100% 的輸出功率。EPC9159KIT 中的 LLC 轉(zhuǎn)換器采用由四個組件組成的模塊化方法實現(xiàn)，如圖 2 所示。標有 EPC9556P 的卡包含初級全橋、帶有諧振回路的變壓器模塊和標識為 EPC9551T 的同步整流器、EPC9528 控制器卡，以及EPC9536主板。主板作為將所有部件連接在一起的平臺，包含輔助電源、測量點、附加輸入/輸出總線電容和輸入/輸出端子。

　　功率晶體管、柵極驅(qū)動器和控制器

　　主全橋具有四個 100 V 額定電壓 3.3 mΩ EPC2619 [8]，與兩個半橋柵極驅(qū)動器 IC uP1966E 一起使用。六個 40 V 額定值 1.55 mΩ EPC2067 用作次級同步整流器。這六個晶體管分為兩個分支，每個分支都有一個 LMG1020 低側(cè)柵極驅(qū)動器。所有功率晶體管和柵極驅(qū)動器均采用 CSP(芯片級封裝)格式，以實現(xiàn)最小尺寸。

　　對于額定值 > 80 V 的 FET， GaN 晶體管提供市場上 最低的 R DS(on) * C OSS品質(zhì)因數(shù)。需要較低的 R DS(on)來最大限度地減少傳導損耗，而較小的COSS有助于減少維持初級 ZVS 所需的過渡時間，同時保持磁化電流盡可能低。僅 2.5 x 1.5 mm 2的芯片尺寸也是實現(xiàn)所需功率密度的關鍵特征。

　　使用 Microchip dsPIC33CK256MP503 控制器總共生成 6 個獨立 PWM 信號，以補償柵極驅(qū)動器中的傳播延遲失配，并在主晶體管和同步整流器之間實現(xiàn)近乎完美的同步。這是通過 250 ps 的時間分辨率、采用 5x5 mm QFN 封裝的非常緊湊的尺寸來實現(xiàn)的。還包括一個 4 通道數(shù)字隔離器，用于在部分功率模式下運行時對初級的四個 PWM 信號進行電平轉(zhuǎn)換。

圖2

　　變壓器模塊：變壓器鐵芯、諧振回路和 PCB

　　EPC9159KIT 的核心是 EPC9551T 變壓器模塊，詳細信息如圖 3 所示。變壓器繞組和諧振回路內(nèi)置于兩個 12 層 PCB 中，占地面積為 17.5 mm x 23 mm。2 盎司可提供 20 層。變壓器繞組的銅厚度，其余四層專用于組件的布線和連接。初級和次級繞組都圍繞變壓器鐵芯的中心柱形成同心匝。圖 3 中還提供了兩者的示例。用于變壓器的三個初級匝和單個次級匝的層是交錯的，以通過交替磁動勢來最小化鄰近損耗。整流器 FET 集成到變壓器繞組中，以最大限度地減少漏感，在之前的工作中發(fā)現(xiàn)漏感會顯著影響效率。

　　中心柱穿過兩個 PCB，兩端有兩個板，為磁通通過四個小衛(wèi)星柱返回提供磁路。端板的幾何形狀經(jīng)過優(yōu)化，可實現(xiàn)均勻且足夠的磁通密度，同時為諧振電容器和次級同步整流器 FET 釋放足夠的電路板空間。變壓器鐵芯分為兩個相同的兩半(頂部和底部)，并使用 Proterial 的 ML91S 材料制造。兩層 350 萬厚的聚酰亞胺膠帶將每一半分開，將磁化電感設置為大約 1.8 μH。與 EPC2619 的 Coss 相結(jié)合，當初級側(cè)電壓為 36 V 時，轉(zhuǎn)換時間約為 23 ns。端板的幾何形狀經(jīng)過優(yōu)化，可實現(xiàn)均勻且足夠的磁通密度，同時為諧振電容器和次級同步整流器 FET 釋放足夠的電路板空間。變壓器鐵芯分為兩個相同的兩半(頂部和底部)，并使用 Proterial 的 ML91S 材料制造。兩層 350 萬厚的聚酰亞胺膠帶將每一半分開，將磁化電感設置為大約 1.8 μH。與 EPC2619 的 Coss 相結(jié)合，當初級側(cè)電壓為 36 V 時，轉(zhuǎn)換時間約為 23 ns。

圖3

　　端板的幾何形狀經(jīng)過優(yōu)化，可實現(xiàn)均勻且足夠的磁通密度，同時為諧振電容器和次級同步整流器 FET 釋放足夠的電路板空間。變壓器鐵芯分為兩個相同的兩半(頂部和底部)，并使用 Proterial 的 ML91S 材料制造。兩層 350 萬厚的聚酰亞胺膠帶將每一半分開，將磁化電感設置為大約 1.8 μH。與 EPC2619 的 Coss 相結(jié)合，當初級側(cè)電壓為 36 V 時，轉(zhuǎn)換時間約為 23 ns。使用 Proterial 的 ML91S 材料制造。兩層 350 萬厚的聚酰亞胺膠帶將每一半分開，將磁化電感設置為大約 1.8 μH。與 EPC2619 的 Coss 相結(jié)合，當初級側(cè)電壓為 36 V 時，轉(zhuǎn)換時間約為 23 ns。使用 Proterial 的 ML91S 材料制造。兩層 350 萬厚的聚酰亞胺膠帶將每一半分開，將磁化電感設置為大約 1.8 μH。與 EPC2619 的 Coss 相結(jié)合，當初級側(cè)電壓為 36 V 時，轉(zhuǎn)換時間約為 23 ns。

　　諧振回路也集成到變壓器模塊中，并以大約 1.8 MHz 進行調(diào)諧。諧振電容由 14 個并聯(lián)的 22 nF 陶瓷電容器組成。這些電容器經(jīng)過精心挑選，使用 U2J 電介質(zhì)，與 C0G 相比，可實現(xiàn)最小 ESR、在溫度和電壓范圍內(nèi)的高穩(wěn)定性以及高電容。約 26 nH 的諧振電感包括約 1.6 nH 的變壓器漏感和兩個約 12.2 nH 的外部電感器。這些電感器使用 22 層和 Proterial ML95S 材料制成的定制磁芯內(nèi)置于 PCB 中。

　　測試結(jié)果

　　圖 4 顯示了在不同電流下以部分功率模式和直通功率模式運行的轉(zhuǎn)換器的波形。考慮到約 23 ns 的過渡時間和約 1.8 MHz 的諧振頻率，諧振運行時的開關頻率略高于 1.6 MHz。在空載時，諧振電流只是磁化電流，并且具有三角形形狀。隨著負載增加，諧振電流變得更接近正弦波。

圖4

圖5

　　值得注意的是，無論負載電流如何，過渡時間開始和結(jié)束時的諧振電流值都是相同的。這表明工作在諧振狀態(tài)。此外，諧振電流和次級漏極電壓的形狀與工作模式無關。主開關節(jié)點(SN1 和 SN2)的情況并非如此，在 48 V 電源的部分功耗模式下，它們具有 48 V 和 12 V (VOUT) 之間的梯形形狀，而在直通功耗模式下，它們具有梯形形狀。形狀介于 36 V 和 0 V 之間。圖 4 中的波形根據(jù)圖 1 中所示的節(jié)點指示符進行標記。

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