【应用】采用eGaN®FET设计紧凑型48V转12V/900W的LLC谐振转换器，效率超98％

时间： 2020-07-09 来源：EPC

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计算机和通信市场的迅速发展要求母线电源的结构越来越紧凑，高效和高功率密度。LLC谐振转换器是提供高功率密度和高效率解决方案的首选。具有超低导通电阻和寄生电容的eGaN FET可以显着降低损耗，这有利于LLC谐振转换器的设计，而硅基MOSFET很难做到。本文展示了基于EPC的eGaN FET（例如EPC2053和EPC2024）设计的48V转12V/900W/1 MHz的LLC DC-DC变压（DCX）转换器，其峰值效率为98.4％，功率密度超过1500W/in³。

<高性能LLC DCX>

图1展示了一个LLC用来做DCX的电源设计图，转换比率为4：1，它包括一个全桥初级线圈和中心抽头次级线圈，带有同步整流器。变压器由并联的2x矩阵组成，每个单元的转换比为4：1：1，可确保低绕组损耗，低互连电感和小尺寸。所有开关均可在零电压开关（ZVS）状态工作，从而几乎可以在整个负载功率范围内高效的进行高频工作。并联的同步整流器设备用于进一步降低传导损耗。

图1、900W/48转12V LLC的电源架构示意图

<用于LLC转换器的高性能eGaN FET>

eGaN FET具有5V栅极操作的低栅极电荷（QG），与同样的MOSFET相比，具有极低的栅极功耗，低导通电阻以及低输出电容电荷（QOSS），因此非常适合LLC转换器。较低的输出电荷通过两种机制降低了变压器中的纹波电流：1）LLC谐振回路所需的能量较低，以及2）有效占空比增加。图2所示的EPC2053和EPC2024分别被用于初级和次级侧。EPC2053的额定电压为100V，导通电阻为4mΩ，能够承受32A的连续电流。EPC2024的额定电压为40V，导通电阻为1.5mΩ，并且能够承受90A的连续电流。两种eGaN FET均可在最高150°C的结温下工作。

图2、60/5000EPC2053（顶部）和EPC2024（底部）凸块侧的照片

<实验验证>

EPC2053用于初级侧开关（Q1-Q4）和EPC2024用于次级侧同步整流器（SR1-SR8，其中SR5-SR8位于电路板的底部），如图3所示。该14层板pcb包含一个带有两极铁芯的嵌入式2x矩阵变压器。

图3、比例为4：1、900W，使用EPC2053和EPC2024的LLC DCX

在满功率和48V输入下测得的开关波形如图4所示。初级和次级侧器件上均不存在过冲和振铃现象，可以实现完美的ZVS。

图4、在48V输入电压和900W负载条件下的开关波形

图5给出了40V，48V和60V输入电压下效率与输出功率的函数关系。它表明LLC转换器在60 V和48 V输入下的峰值效率分别为98.4％和98.3％，并可以在较宽的工作范围内都能保持高效率。

图5、输入电压为40V/48V/60V时的功率效率与输出功率的关系

图6显示了在54V输入，900 W负载和400 LFM强制冷却条件下工作的LLC转换器的热性能。出色的热性能表明，所有主要组件的温度均远低于其最大工作极限温度。

图6、LLC转换器在54V输入和900W负载下工作的热图像

<总结>

使用能够提供900W功率的eGaN FET构建的48V转12V LLC中间母线电源的实验效率超过98％。eGaN FET的低栅极电容，低输出电荷和低导通电阻是能够在功率密度超过1500 W / in³时，实现此目标的关键原因。

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