数字服务和互联网流量需求的快速增长、人工智能系统的激增以及计算能力的持续增长正在推动数据中心和服务器机架电源管理解决方案的重大技术改进。48 V 的能量分配可显着降低损耗，但需要非常高效且高功率密度的转换器靠近负载。

　　由于其高效率、高功率密度和良好的动态响应，LLC 谐振转换器已成为中间 48 V 至 12 V 转换的首选拓扑。该拓扑结构与GaN 晶体管相结合的卓越性能已得到证明。本文介绍了最新一代 GaN 器件如何不断突破极限。

　　EPC 发布了 EPC9159KIT，这是之前 48 V 至 12 V LLC 转换器模块的延续，经过更新，组装到模块中时可实现超过 5 kW/in 3的功率密度。当向 12 V 负载提供 1 kW 功率时，部分功率技术可实现超过 97.5% 的峰值效率和超过 95.5% 的满载效率。

　　转换器概述

　　EPC9159KIT 中的LLC谐振转换器基于初级全桥，配有 3:1 变压器和中心抽头全波同步整流器。初级使用四个 EPC2619 eGaN 晶体管，次级使用六个 EPC2067 eGaN FET 晶体管。使用变压器漏感和两个额外的外部电感器将谐振回路调谐至大约 1.8 MHz，如图 1 所示。

图1

　　此外，EPC9159KIT 利用 LLC 拓扑固有的电气隔离来实施部分功率技术，并实现更高的效率和电流能力。当配置为部分功率模式时，转换器的输入输出电压比为 4:1，并且可以将高达 1 kW 的功率从 48 V 电源处理为 12 V 负载。在此模式下，初级全桥 (0VHV) 的返回浮动在输出电压 (VLV) 之上，并且变压器仅处理 75% 的输出功率。EPC9159KIT 还可以配置为直通电源模式，具有 3:1 输入输出电压比和最大电压。36 V 电源为 12 V 负载提供 750 W 的额定功率。在此模式下，变压器处理 100% 的输出功率。EPC9159KIT 中的 LLC 转换器采用由四个组件组成的模块化方法实现，如图 2 所示。标有 EPC9556P 的卡包含初级全桥、带有谐振回路的变压器模块和标识为 EPC9551T 的同步整流器、EPC9528 控制器卡，以及EPC9536主板。主板作为将所有部件连接在一起的平台，包含辅助电源、测量点、附加输入/输出总线电容和输入/输出端子。

　　功率晶体管、栅极驱动器和控制器

　　主全桥具有四个 100 V 额定电压 3.3 mΩ EPC2619 [8]，与两个半桥栅极驱动器 IC uP1966E 一起使用。六个 40 V 额定值 1.55 mΩ EPC2067 用作次级同步整流器。这六个晶体管分为两个分支，每个分支都有一个 LMG1020 低侧栅极驱动器。所有功率晶体管和栅极驱动器均采用 CSP(芯片级封装)格式，以实现最小尺寸。

　　对于额定值 > 80 V 的 FET， GaN 晶体管提供市场上 最低的 R DS(on) * C OSS品质因数。需要较低的 R DS(on)来最大限度地减少传导损耗，而较小的COSS有助于减少维持初级 ZVS 所需的过渡时间，同时保持磁化电流尽可能低。仅 2.5 x 1.5 mm 2的芯片尺寸也是实现所需功率密度的关键特征。

　　使用 Microchip dsPIC33CK256MP503 控制器总共生成 6 个独立 PWM 信号，以补偿栅极驱动器中的传播延迟失配，并在主晶体管和同步整流器之间实现近乎完美的同步。这是通过 250 ps 的时间分辨率、采用 5x5 mm QFN 封装的非常紧凑的尺寸来实现的。还包括一个 4 通道数字隔离器，用于在部分功率模式下运行时对初级的四个 PWM 信号进行电平转换。

图2

　　变压器模块：变压器铁芯、谐振回路和 PCB

　　EPC9159KIT 的核心是 EPC9551T 变压器模块，详细信息如图 3 所示。变压器绕组和谐振回路内置于两个 12 层 PCB 中，占地面积为 17.5 mm x 23 mm。2 盎司可提供 20 层。变压器绕组的铜厚度，其余四层专用于组件的布线和连接。初级和次级绕组都围绕变压器铁芯的中心柱形成同心匝。图 3 中还提供了两者的示例。用于变压器的三个初级匝和单个次级匝的层是交错的，以通过交替磁动势来最小化邻近损耗。整流器 FET 集成到变压器绕组中，以最大限度地减少漏感，在之前的工作中发现漏感会显着影响效率。

　　中心柱穿过两个 PCB，两端有两个板，为磁通通过四个小卫星柱返回提供磁路。端板的几何形状经过优化，可实现均匀且足够的磁通密度，同时为谐振电容器和次级同步整流器 FET 释放足够的电路板空间。变压器铁芯分为两个相同的两半(顶部和底部)，并使用 Proterial 的 ML91S 材料制造。两层 350 万厚的聚酰亚胺胶带将每一半分开，将磁化电感设置为大约 1.8 µH。与 EPC2619 的 Coss 相结合，当初级侧电压为 36 V 时，转换时间约为 23 ns。端板的几何形状经过优化，可实现均匀且足够的磁通密度，同时为谐振电容器和次级同步整流器 FET 释放足够的电路板空间。变压器铁芯分为两个相同的两半(顶部和底部)，并使用 Proterial 的 ML91S 材料制造。两层 350 万厚的聚酰亚胺胶带将每一半分开，将磁化电感设置为大约 1.8 µH。与 EPC2619 的 Coss 相结合，当初级侧电压为 36 V 时，转换时间约为 23 ns。

图3

　　端板的几何形状经过优化，可实现均匀且足够的磁通密度，同时为谐振电容器和次级同步整流器 FET 释放足够的电路板空间。变压器铁芯分为两个相同的两半(顶部和底部)，并使用 Proterial 的 ML91S 材料制造。两层 350 万厚的聚酰亚胺胶带将每一半分开，将磁化电感设置为大约 1.8 µH。与 EPC2619 的 Coss 相结合，当初级侧电压为 36 V 时，转换时间约为 23 ns。使用 Proterial 的 ML91S 材料制造。两层 350 万厚的聚酰亚胺胶带将每一半分开，将磁化电感设置为大约 1.8 µH。与 EPC2619 的 Coss 相结合，当初级侧电压为 36 V 时，转换时间约为 23 ns。使用 Proterial 的 ML91S 材料制造。两层 350 万厚的聚酰亚胺胶带将每一半分开，将磁化电感设置为大约 1.8 µH。与 EPC2619 的 Coss 相结合，当初级侧电压为 36 V 时，转换时间约为 23 ns。

　　谐振回路也集成到变压器模块中，并以大约 1.8 MHz 进行调谐。谐振电容由 14 个并联的 22 nF 陶瓷电容器组成。这些电容器经过精心挑选，使用 U2J 电介质，与 C0G 相比，可实现最小 ESR、在温度和电压范围内的高稳定性以及高电容。约 26 nH 的谐振电感包括约 1.6 nH 的变压器漏感和两个约 12.2 nH 的外部电感器。这些电感器使用 22 层和 Proterial ML95S 材料制成的定制磁芯内置于 PCB 中。

　　测试结果

　　图 4 显示了在不同电流下以部分功率模式和直通功率模式运行的转换器的波形。考虑到约 23 ns 的过渡时间和约 1.8 MHz 的谐振频率，谐振运行时的开关频率略高于 1.6 MHz。在空载时，谐振电流只是磁化电流，并且具有三角形形状。随着负载增加，谐振电流变得更接近正弦波。

图4

图5

　　值得注意的是，无论负载电流如何，过渡时间开始和结束时的谐振电流值都是相同的。这表明工作在谐振状态。此外，谐振电流和次级漏极电压的形状与工作模式无关。主开关节点(SN1 和 SN2)的情况并非如此，在 48 V 电源的部分功耗模式下，它们具有 48 V 和 12 V (VOUT) 之间的梯形形状，而在直通功耗模式下，它们具有梯形形状。形状介于 36 V 和 0 V 之间。图 4 中的波形根据图 1 中所示的节点指示符进行标记。

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