高效率和高功率密度轉換器能夠減少系統級功率損耗，同時使系統外形尺寸更加小巧。在這種背景下，透過LLC諧振拓撲與氮化鎵(GaN)技術的成功結合，可提供卓越的性能，並經多個實例得到了驗證。本文利用eGaN場效電晶體(FET(的48V~12V LLC轉換器，實現超過4kW/吋³功率密度，並給出了關鍵設計參數和元件值。所設計的模組尺寸為17.5 × 22.8 × 7.7mm³，峰值效率最高可以達到96.3%，而向12V負載輸送1kW功率時，峰值效率為93.8%。

轉換器

如圖1(左)所示，LLC諧振轉換器的初級是全橋電路，次級是中心抽頭全波同步整流器。兩者分別與匝數比為4:1的平面變壓器相耦合。初級和次級電路採用的功率FET，以及變壓器和PCB是該模組的關鍵部件，圖1(右)所示為完成組裝後的整個模組示意圖。

圖1：LLC轉換器拓撲(左)；組裝後的LCC電源轉換器模組(右)。

功率電晶體和閘極驅動器

初級電路中使用了4個額定電壓為100V的3.2mΩ EPC2218s功率電晶體和2個型號為uP1966Es的半橋閘極驅動器晶片。在次級整流電路中，共有六個額定電壓為40V的1.55mΩ EPC2067s碳化矽(SiC)(FET)用於同步整流器。這六個電晶體被分為兩個分支，其中每個分支由控制三個EPC2067的平行陣列的LMG1020低側閘極驅動器組成。所有功率電晶體和閘極驅動器均採用晶片級封裝(CSP)，以實現最小尺寸並確保寄生參數最低。

與等效的矽MOSFET相比，由於eGaN電晶體具有較低的品質因數(R_DS(on) × C_OSS)，所以在初級電路中選用eGaN電晶體特別有益。這是因為在相同的R_DS(on)和額定電壓條件下，GaN電晶體具有較低的C_OSS，因此可以將達到ZVS(在盡可能短的轉換時間內)所需的磁化電流減至最小。最終結果是，頻率可以提高到1MHz量級，並在保持高效率的同時能夠減小被動元件的尺寸。

初級電路採用的uP1966E半橋閘極驅動器是該應用的理想選擇，其關鍵特性包括最低可以達到80V的額定電壓、尺寸最小，以及所需外部元件最少。同樣，LMG1020 GaN FET驅動器為該應用提供了量身定制的解決方案，因為它的佔用面積最小，所需的支援電路也最少，並且具有足夠強大的驅動力，能夠驅動三個並聯的EPC2067 FET而不影響速度。雖然上面列出的元件能夠以非常緊湊的形式實現非常高的工作頻率，但由於初級閘極驅動器和次級閘極驅動器之間的傳播延遲不同，從而還會帶來一些挑戰。

為了解決這種失配問題，系統中使用了3個具有獨立雙邊緣控制功能的獨特PWM發生器來實現初級電路和次級電路之間所需的同步。這種配置提供了所需的可程式設計靈活性，可確保初級電路中方波的平衡，並能透過控制死區時間實現初級電路中的ZVS，維持整流器電晶體中的ZVS/ZCS，從而將環流能量(circulating energy)減至最小。

變壓器設計

變壓器設計和磁芯材料選擇取決於轉換器的具體要求，例如輸入/輸出電壓比為4:1、1MHz諧振頻率下的期望輸出功率為1kW、最大尺寸為17.5 × 23mm²等。基於之前的經驗，並在有限元(FE)模擬的幫助下，設計出了如圖2(右)所示的、只有1個直徑為6mm的中心柱和4個衛星式磁通量返回腳的磁芯形狀。綜合考慮銅繞組中的傳導損耗和磁芯損耗，發現6mm的中心柱直徑為最佳尺寸。至於圖2 (左)所示的磁芯頂部和底部側蓋的最終尺寸，則是磁通密度和磁芯利用率之間的折衷，目的是在不增加磁芯損耗的情況下擴大放置元件的區域。注意，對於寄生電感最小化來說，接近變壓器繞組的PCB實際面積至關重要，而次級線圈中的寄生電感對性能的影響也高達30%。

圖2：最佳化後的磁芯俯視圖和尺寸(左)；顯示磁芯各處磁通密度的完整磁芯有限元分析(FEA)模型(右)。

變壓器磁芯採用了與軟鐵氧體材料相同的ML91S鐵氧體磁芯，具有很好的溫度和頻率穩定性，工作頻率甚至可以超過1MHz，並且磁通量密度容積功耗小於200kW/m³。透過調整兩個半芯之間的氣隙，可以實現約1.8µH的磁性電感。

PCB設計

變壓器磁芯尺寸定義好後，初級和次級繞組被分佈在16層PCB上，使電流圍繞變壓器磁芯的中心柱流動。每個初級線圈單獨採用一層，厚度為3盎司(oz)，而次級的每個分支則採用相平行的3個3盎司層和1個2盎司層。內部的12層採用標準PCB技術製作，外層則採用HDI技術。這樣，初級和次級元件可以放置在電路板的頂部和底部，電流則可以有效地向下流入變壓器繞組。

測試結果與改進

為了測試上述轉換器，專門開發了一個主機板，用來為模組提供輸入/輸出連接、額外的匯流排電容、內部用電源、用於精確效率測量的檢測連接，以及一個用於控制器板的連接器。圖3中左側是為該裝置的示意圖，右側則為滿載時的波形(中心)和效率曲線，25A時測得的峰值效率為96.3%，84A(1KW)時測得的峰值效率為93.8%。

圖3：測試系統示意圖(左)；波形測量結果(中間)；VIN = 48V時測量得的效率曲線(右)。

在後續的轉換器改進中，控制器和內部電源將整合到模組中，同時保持總體尺寸不變。此外，還將增加一顆與變壓器串聯的小諧振電感器，在保持相同諧振頻率的同時，用來增加Q值。另外，也會對PCB進行改進，將會利用雙PCB解決方案替換原來的16層電路板，目的是減少銅損耗並提高整個系統的可製造性。

結論

在48V~12V電源轉換器中，GaN FET可以實現像採用48V架構資料中心所需的前所未有的功率密度(>4kW/吋³)。需要特別指出的是，採用晶片級封裝(例如eGaN電晶體封裝)的GaN技術與精心設計的磁性元件的完美組合，可以在1MHz頻率下實現1kW的負載能力，並且峰值效率和滿載效率分別可以達到96.3%和93.8%。

(參考原文：eGaN FETs Enable More Than 4-kW/in.3 Power Density for 48-V to 12-V Power Conversion，by Alejandro Pozo)

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