便攜工作站是高性能筆記本電腦，允許專業人員運行如照片和視頻編輯、游戲、3D渲染、CAD/CAM任務等應用。這些設備配備了高功耗的CPU和GPU，需要功率范圍在300瓦到500瓦的電源模塊(PSU)。由于空間和厚度的限制，這種PSU的設計本質上是困難的，需要高功率密度。其他具有類似功率需求的應用還包括寬屏OLED電視，以及將主要計算機組件(CPU、顯示器和揚聲器)集成到一個流線型單元中的臺式機。

　　在2024年2月的APEC會議上，Navitas Semiconductor展示了一款采用LLC拓撲結構的轉換器原型，將400V DC轉換為24V DC。該轉換器模塊的厚度僅為8毫米，具有顯著的功率密度(21.5 kW/L)。峰值效率為98.1%，而滿載效率(400W)達到97.4%。

　　400瓦轉換器拓撲

　　此類設備(如Apple的Studio Display內部)的400瓦PSU通常由兩級組成。功率因數校正(PFC)升壓電路將來自電源的交流電壓轉換為380V DC。第二級是隔離的LLC DC/DC轉換器，采用半橋配置，產生20V和24V的穩定電壓。實現這種功率轉換器的典型電路如圖1所示。

圖1

　　為了在效率和EMI發射之間取得良好的平衡，PFC升壓電路以65kHz的開關頻率運行。相反，LLC諧振轉換器由于減少了開關損耗，可以在接近150kHz的頻率下開關。

　　GaN是正確的技術

　　GaN晶體管的商業可用性使得提高功率轉換器的開關速度成為可能。因此，平面變壓器可以很容易地集成到PCB上，從而顯著減小磁性元件的尺寸。還可以將諧振電感器集成到變壓器中，在小型化方面進一步提升。平面變壓器和平面電感器采用扁平、分層結構設計，而不是傳統的繞線線圈結構。

　　通過使用Navitas的專有GaNFast半橋IC和GaNSense，建造高效率和高密度的LLC轉換器變得更加容易。這些組件包括兩個GaN FET和驅動器，以及控制、電平移位、啟動高側開關的引導電源、檢測和保護，封裝在一個低調的、熱增強的6 × 8毫米QFN封裝中。圖2詳細介紹了封裝引腳分布和散熱墊。

圖2

　　高側I/O引腳包括高側IC電源引腳，低側I/O引腳包括PWM輸入、dV/dt啟用控制和電流檢測輸出。通過適當的高電壓爬電距離，將帶有I/O引腳的低側源墊與帶有I/O引腳的高側源墊分開。GaN晶體管產生的熱量通過QFN封裝底部的源散熱墊傳導到PCB。然后使用大的PCB銅箔區域和熱通孔將熱量傳導到PCB的另一側和/或更多具有大銅箔層的層，從而將熱量分散出去。

　　諧振LLC轉換器的運行

　　從圖1中可以看出，LLC部分由一個半橋、諧振罐電路、變壓器和整流器網絡組成，后者采用同步整流(SR)FET而不是二極管，以提高效率和驅動性能。半橋的兩個開關以50%的占空比開啟(實際上允許一個死區時間以避免任何穿通風險);因此，諧振罐輸入處產生方波，諧振罐作為濾波器以生成基波頻率的正弦波。然后，正弦波通過高頻變壓器傳輸到次級側，該變壓器將電壓降下。最后，SR將正弦波轉換為穩定的DC輸出。LLC轉化器的效率通過諧振罐的軟開關能力和減少開關損耗來實現。

　　圖3描繪了由諧振電容器Cr、諧振電感器Lr、磁化電感Lm和交流等效負載RAC組成的諧振罐的原理圖。LLC轉換器具有寬泛的工作范圍和高效率，歸功于兩個諧振頻率：fr1 = 1 ÷ [2p√(LrCr)] 和 fr2 = 1 ÷ [2p√(Lr + Lm)Cr]，且fr1 > fr2。當頻率f > fr1時，負載諧振罐的輸入阻抗為感性，而當f < fr2時，輸入阻抗為容性。在頻率區域fr2 < f < fr1時，阻抗可以是感性的或容性的，取決于負載電阻R。LLC諧振轉換器通常在諧振罐的輸入阻抗為感性的區域內工作;即，阻抗隨頻率增加而增加。這意味著可以通過改變轉換器的工作頻率來控制功率流動，從而減小負載的功率需求導致頻率升高，而增加的功率需求導致頻率降低。

圖3

　　磁性設計

　　矩陣變壓器是基于PCB的平面變壓器的一個好解決方案。矩陣變壓器由多個較小的“元件”組成，這些元件在矩陣中互連。具有小橫截面的元件產生低調變壓器，可以處理高功率。小元件還更高效地散熱并更容易散熱。“矩陣變壓器”這個名字來源于其最初的配置，具有行和列。一個有四列三行的矩陣變壓器可以提供4:3的有效匝數比。

　　用于諧振LLC設計的矩陣變壓器的等效磁阻模型相當復雜，但相對直接的方程允許計算Lr(等于集成磁性結構的漏感)和Lm。此外，可以獲得一種改進版的矩陣變壓器，與傳統的矩陣變壓器相比，磁芯板的磁通密度降低。在改進的排列中，磁芯板的磁通密度分布在整個板上，因此變得更低。因此，磁芯損耗大大減少，同時板的厚度變得更小。

　　測試時鐘頻率為500kHz、輸出功率為400瓦的轉換器模塊具有高度集成性，因為它包含一個半橋NV6247 IC以及Cr、輸出SR和輸出電容器，因此只需要一個PWM信號和電源即可運行。最小爬電距離為7毫米，即使在實際使用中也能確保安全。該電源轉換器還可以在自然對流下提供300瓦的功率。模塊尺寸為62.5 × 37.2 × 8毫米，其功率密度達到21.5kW/L(0.35kW/in3)。

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