【经验】EPC分享eGaN FET如何缩小现代电源电路的物理尺寸——以LLC谐振转换器的设计为例

LLC谐振转换器的设计说明了eGaN FET如何缩小现代电源电路的物理尺寸。

计算和电信的快速发展使外部电源供应器向基于48V的电源架构迁移。这种更高电压架构的应用包括需要更高功率密度、更高的功率和更高组件密度的人工智能、5G、大数据和云服务器。由于这些高密度计算板上的空间非常宝贵，因此功率密度非常高。

LLC谐振转换器的整体功耗和效率，包括48V输入和12V输出下的内功耗。该转换器具有97.6%的峰值效率和96.7%的满载效率。

因此，人们对48V至12V板载DC-DC转换器很感兴趣。分布式电源开放标准联盟(DOSA)对1/8砖模块电源48V服务器应用程序设置了大小限制。在这方面，请考虑1kW、4:1转换比、基于eGaN FET的LLC谐振转换器。该转换器达到97.5%的峰值和96.7%的满载效率。它可以超越DOSA标准的限制，通过使用GaN集成实现更高的功率密度。

此应用领域的典型规格适用于在40~60V范围内运行的1kW负载功率48~12V转换器。转换器设计必须适合58.4×22.9×10mm的体积，其尺寸类似于DOSA 1/8砖模块电源，最大允许气流限制为400LFM。此外，最终模块必须配备用于水平或垂直安装的连接销。最后，输入和输出不需要隔离，这简化了拓扑和设计。

设计概览

在此设计中，全桥初级侧配置为谐振回路电路生成脉冲输入电压。谐振回路由一个谐振电容与一个谐振电感串联组成，谐振电感采用变压器漏电感。

该设计使用一个4:1匝数比的高频平面变压器，设计为矩阵变压器，由两个串联的2:1:1连接部分组成，缠绕在单个双柱铁芯上。变压器磁化电感结合预定的死区时间设置用于在初级侧FET上建立零电压开关(ZVS)。开关Q1/Q4和Q2/Q3以接近50%的占空比和180°的相位差切换。次级侧使用两个平行的中心抽头半桥臂，以及用于输出的同步整流器FET。这种同步整流方案降低了高负载电流下的次级侧传导损耗。

eGaN FET非常适合软开关LLC谐振转换器。与类似额定值的硅MOSFET相比，其较低的栅极电荷(Q_G)和5V栅极操作带来更低的栅极功耗。此外，GaN FET的输出电容低得多，因此实现ZVS所需的能量也少得多。较低的输出电容将减少死区时间并提高有效功率传输时间，或者减少所需的磁化电流、循环能量和传导损耗。最后，eGaN FET比老化的MOSFET同类产品小三到五倍。

该设计将100V、3.2mΩ EPC2218和40V、1.5mΩ EPC2024分别用于初级和次级侧功率器件。两种eGaN FET均可在高达150℃的结温下运行。GaN FET的小外形尺寸使其可以在同步整流器的有限1/8功率砖模块尺寸中安装8个FET。

该设计还包括板载内部电源、数字控制器以及输入和输出电压检测。为了控制功率级，Microchip的dsPIC控制器（dsPIC33CK32MP102-I/2N）生成高分辨率PWM信号。板载内部电源产生栅极驱动器所需的5V电压和控制器所需的3.3V电压。

为1kW转换器设计了定制形状的散热器和用于EPC9149电路板顶侧和底侧的翅片散热器的组合。

定制形状的散热器和用于EPC9149电路板顶侧和底侧的翅片散热器的组合被设计为添加到1kW转换器中。铜质散热器位于初级侧和次级侧FET的顶部，以将热量散布到外部结构。铜质散热器包括轮廓特征，允许散热器的部件搁置在PCB上，以促进冷却、机械稳定性并定义散热器和FET顶面之间的正确间距。

第一种高性能热界面材料(TIM)——例如具有17.8W/m-K高导热率的T-global A1780——在组件和散热器的金属表面之间提供绝缘和高导热性。2:1的压缩比可提供足够的力以获得最佳的热性能，但压缩率不会太大，不会对任何组件产生机械应力。TIM还为散热器接地提供隔离。第二种热界面材料——TG-A6200，同样来自T-Global，其热导率为6.2W/m-K——将散热器连接到散热器。板上的机械螺钉将整个机械结构固定到位。

将EPC9149 1kW、4:1比率基于GaNFET的LLC谐振转换器模块固定在主板上进行评估。主要输入和输出连接、测量端口、大容量输入和输出电容器、USB和通信端口都位于主板上。eGaN FET的低栅极电容、输出电荷和导通电阻以及小尺寸是在功率密度超过1227W/in³时实现高效率的关键。

EPC915948V至12V双向LLC转换器的分解图。在这个3D组件中，变压器位于所有PCB组件的顶部。控制器和偏置电源夹在变压器和基板PCB之间。最后，使用板上的齿形连接进行连接的边缘铜排将整个结构连接在一起。升级的FET、改进的变压器设计和3D组装使该转换器的功率密度达到5130W/in³。

EPC9149是最先进的48至12V板载DC-DC转换器之一。有一些方法可以进一步提高功率密度。首先，设计的长宽比被放弃，取而代之的是方形格式，这使得变压器的设计有了显著的改进。第二个改进是由3D组装方法驱动的，其中变压器与功率转换器级分离。这种方法允许以较少的折中来改进两种设计。

下一个改进是升级到下一代eGaN FETs。对于后续设计，EPC9149上使用的40V 1.5mΩ器件升级为40V 1mΩ器件。这些改进的结合带来5130W/in³的功率密度，是一个巨大的飞跃！

GaN集成

2014年，EPC设计了第一个GaN集成电路——单片半桥。这种集成的优点包括减小尺寸和成本，并且由于两个晶体管的紧密耦合，减小了寄生共源电感。

2019年初，驱动器功能和单芯片半桥与电平转换器、同步升压电路、保护和输入逻辑一起合并到单个GaN硅衬底上。这款完整的EPC2152电子功率级可以在多兆赫频率下驱动，并由一个简单的低端CMOS IC控制。只需增加几个无源元件，就可以成为一个完整的DC-DC稳压调节器。该调节器比分立器件小35%，具有一半的元件，效率更高。在未来几年，将会有完整的片上系统设计，包括最先进的DC-DC转换器所需的所有主要功能。

这种集成对48–12V板载DC-DC转换器的影响将是巨大的。在初级侧实现eGaN功率级集成电路，在次级侧实现同步整流集成电路，可以使GaN电路使用的面积增加一倍。这种集成大大减少并将最终消除内务电路和控制器。据估计，由于氮化镓和外围元件造成的损耗可以减半，从而使功率密度额外提高50%。

功率密度越来越高的趋势没有减弱。eGaN设备提供了一种实现当今可能的最大功率密度的方法，下一代设备和集成解决方案将取得更大的进步。