便携工作站是高性能笔记本电脑，允许专业人员运行如照片和视频编辑、游戏、3D渲染、CAD/CAM任务等应用。这些设备配备了高功耗的CPU和GPU，需要功率范围在300瓦到500瓦的电源模块(PSU)。由于空间和厚度的限制，这种PSU的设计本质上是困难的，需要高功率密度。其他具有类似功率需求的应用还包括宽屏OLED电视，以及将主要计算机组件(CPU、显示器和扬声器)集成到一个流线型单元中的台式机。

　　在2024年2月的APEC会议上，Navitas Semiconductor展示了一款采用LLC拓扑结构的转换器原型，将400V DC转换为24V DC。该转换器模块的厚度仅为8毫米，具有显著的功率密度(21.5 kW/L)。峰值效率为98.1%，而满载效率(400W)达到97.4%。

　　400瓦转换器拓扑

　　此类设备(如Apple的Studio Display内部)的400瓦PSU通常由两级组成。功率因数校正(PFC)升压电路将来自电源的交流电压转换为380V DC。第二级是隔离的LLC DC/DC转换器，采用半桥配置，产生20V和24V的稳定电压。实现这种功率转换器的典型电路如图1所示。

图1

　　为了在效率和EMI发射之间取得良好的平衡，PFC升压电路以65kHz的开关频率运行。相反，LLC谐振转换器由于减少了开关损耗，可以在接近150kHz的频率下开关。

　　GaN是正确的技术

　　GaN晶体管的商业可用性使得提高功率转换器的开关速度成为可能。因此，平面变压器可以很容易地集成到PCB上，从而显著减小磁性元件的尺寸。还可以将谐振电感器集成到变压器中，在小型化方面进一步提升。平面变压器和平面电感器采用扁平、分层结构设计，而不是传统的绕线线圈结构。

　　通过使用Navitas的专有GaNFast半桥IC和GaNSense，建造高效率和高密度的LLC转换器变得更加容易。这些组件包括两个GaN FET和驱动器，以及控制、电平移位、启动高侧开关的引导电源、检测和保护，封装在一个低调的、热增强的6 × 8毫米QFN封装中。图2详细介绍了封装引脚分布和散热垫。

图2

　　高侧I/O引脚包括高侧IC电源引脚，低侧I/O引脚包括PWM输入、dV/dt启用控制和电流检测输出。通过适当的高电压爬电距离，将带有I/O引脚的低侧源垫与带有I/O引脚的高侧源垫分开。GaN晶体管产生的热量通过QFN封装底部的源散热垫传导到PCB。然后使用大的PCB铜箔区域和热通孔将热量传导到PCB的另一侧和/或更多具有大铜箔层的层，从而将热量分散出去。

　　谐振LLC转换器的运行

　　从图1中可以看出，LLC部分由一个半桥、谐振罐电路、变压器和整流器网络组成，后者采用同步整流(SR)FET而不是二极管，以提高效率和驱动性能。半桥的两个开关以50%的占空比开启(实际上允许一个死区时间以避免任何穿通风险);因此，谐振罐输入处产生方波，谐振罐作为滤波器以生成基波频率的正弦波。然后，正弦波通过高频变压器传输到次级侧，该变压器将电压降下。最后，SR将正弦波转换为稳定的DC输出。LLC转化器的效率通过谐振罐的软开关能力和减少开关损耗来实现。

　　图3描绘了由谐振电容器Cr、谐振电感器Lr、磁化电感Lm和交流等效负载RAC组成的谐振罐的原理图。LLC转换器具有宽泛的工作范围和高效率，归功于两个谐振频率：fr1 = 1 ÷ [2p√(LrCr)] 和 fr2 = 1 ÷ [2p√(Lr + Lm)Cr]，且fr1 > fr2。当频率f > fr1时，负载谐振罐的输入阻抗为感性，而当f < fr2时，输入阻抗为容性。在频率区域fr2 < f < fr1时，阻抗可以是感性的或容性的，取决于负载电阻R。LLC谐振转换器通常在谐振罐的输入阻抗为感性的区域内工作;即，阻抗随频率增加而增加。这意味着可以通过改变转换器的工作频率来控制功率流动，从而减小负载的功率需求导致频率升高，而增加的功率需求导致频率降低。

图3

　　磁性设计

　　矩阵变压器是基于PCB的平面变压器的一个好解决方案。矩阵变压器由多个较小的“元件”组成，这些元件在矩阵中互连。具有小横截面的元件产生低调变压器，可以处理高功率。小元件还更高效地散热并更容易散热。“矩阵变压器”这个名字来源于其最初的配置，具有行和列。一个有四列三行的矩阵变压器可以提供4:3的有效匝数比。

　　用于谐振LLC设计的矩阵变压器的等效磁阻模型相当复杂，但相对直接的方程允许计算Lr(等于集成磁性结构的漏感)和Lm。此外，可以获得一种改进版的矩阵变压器，与传统的矩阵变压器相比，磁芯板的磁通密度降低。在改进的排列中，磁芯板的磁通密度分布在整个板上，因此变得更低。因此，磁芯损耗大大减少，同时板的厚度变得更小。

　　测试时钟频率为500kHz、输出功率为400瓦的转换器模块具有高度集成性，因为它包含一个半桥NV6247 IC以及Cr、输出SR和输出电容器，因此只需要一个PWM信号和电源即可运行。最小爬电距离为7毫米，即使在实际使用中也能确保安全。该电源转换器还可以在自然对流下提供300瓦的功率。模块尺寸为62.5 × 37.2 × 8毫米，其功率密度达到21.5kW/L(0.35kW/in³)。

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