使用eGaN® FET的紧凑型48 V至12 V、900 W LLC谐振转换器的效率超过98%

日期:2018-11-14

 
动机
计算和通信市场的迅速扩展要求中间总线转换器采用更紧凑、高效和高功率密度的解决方案。LLC谐振转换器是提供高功率密度和高效率的解决方案的不起的候选者。具有超低导通电阻和寄生电容的eGaN FET,通过显著降低使用Si MOSFET时具有挑战性的损耗,使LLC谐振转换器明显受益。展示的采用EPC2053和EPC2024等eGaN FET的48V-12V、900W、1MHz LLC DC-DC转换器(DCX)峰值效率为98.4%,功率密度超过1500 W/in 3。
 
高性能LLC DCX
在图1中示出了作为DCX工作的4:1转换比LLC的电源架构示意图,并且包括采用同步整流器的全桥初级和中心抽头次级。变压器由一个并联的2x矩阵组成,每个单元的转换比为4:1:1,以确保低绕组损耗、低互连电感和低剖面。所有开关都可以在零电压开关(ZVS)中工作,从而允许在几乎整个负载功率范围内高效率地进行高频操作。并联连接的同步整流器件用于进一步降低传导损耗。
 
用于LLC转换器的高性能eGaN FET
eGaN FET非常适合于LLC转换器,因为它们的低栅极电荷(Q G)和5V栅极操作,,结合起来可产生与等效MOSFET相比非常低的栅极功耗、低的导通电阻和低的输出电容电荷(Q OSS)。较低的输出电荷通过两个机制减小了变压器中的纹波电流:1)LLC谐振回路所需的能量较低,2)提高了有效占空比。图2所示的EPC2053和EPC2024分别用于初级和次级侧功率器件。EPC2053额定电压为100 V,导通电阻为4 mΩ,能够承载32 A的连续电流。EPC2024额定电压为40 V,导通电阻为1.5 mΩ,能够承载90 A的连续电流。
 

图1:900 W,48 V至12 V LLC电源架构示意图
 

图2:EPC2053(顶部)和EPC2024(底部)锡球侧的照片
 
实验验证
在图3中显示,采用EPC2053作为初级侧开关(Q1-Q4)和EPC2024作为次级侧同步整流器(SR1-SR8,板底侧有SR5-SR8)构建了一个4:1比值,900W的LLC,配置为一个DCX。该板包括一个嵌入式2x矩阵变压器,采用有一个两极磁芯的14层板。
在全功率和48 V输入下测量的开关波形如图4所示。完美的ZVS是显而易见的,因为在初级和次级侧器件上没有过冲和振铃。
在图5中绘出了在输出电压为40 V、48 V和60 V输入电压时效率作为输出功率的函数。结果表明,在60V和48V输入下,LLC转换器的峰值效率分别为98.4%和98.3%,在较宽的工作范围内保持了较高的效率。
在54 V输入、900 W负载、400 LFM空气流量下,LLC转换器工作的热性能示于图6。所获得的优异的热性能表明,所有主要元件的温度都远远低于其最大工作极限。
 
结论
使用eGaN FET构建的48 V至12 V LLC中间总线转换器能够提供900 W,具有超过98%的实验效率。eGaN FET的低栅极电容、低输出电荷和低导通电阻是在功率密度超过1500 W/in 3的情况下实现这一点的关键。
 

图3:使用EPC2053和EPC2024的4:1比率,900 W,LLC DCX


图4:在48 V输入电压和900 W负载条件下的开关波形
 

图5:在40 V、48 V和60 V输入电压条件下功率效率是输出功率的函数


图6:在54 V输入和900 W负载下运行的LLC转换器的热图像

Efficient Power Conversion(EPC)
请联系Winnie Wong (winnie.wong@epc-co.com)
 

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