利用eGaN FET实现高功率密度电源转换器

随着计算及数据中心计算能力的日益增长和不断小型化，48V供电和转换系统面临着越来越大的压力。高效率和高功率密度转换器能够减少系统级功耗，同时使系统外形尺寸更加小巧。在这种背景下，通过LLC谐振拓扑与GaN技术的成功结合，可提供卓越的性能，并经多个实例得到了验证。本文利用eGaN FET的48V至12V LLC转换器，实现了超过4kW/吋³的功率密度，并给出了关键设计参数和元器件值。所设计的模块尺寸为17.5×22.8×7.7mm³，峰值效率最高可以达到96.3%，而向12V负载输送1kW功率时，峰值效率为93.8%。

转换器

如图1(左)所示，LLC谐振转换器的初级是全桥电路，次级是中心抽头全波同步整流器。两者分别与匝数比为4:1的平面变压器相耦合。初级和次级电路采用的功率FET以及变压器和印刷电路板是该模块的关键部件。图1(右)所示为完成组装后的整个模块示意图。

图1：LLC转换器拓扑(左)；组装后的LCC电源转换器模块(右)。

功率晶体管和栅极驱动器

初级电路中使用了4个额定电压为100V的3.2mΩ EPC2218s5功率晶体管和2个型号为uP1966Es6的半桥栅极驱动器芯片。在次级整流电路中，共有六个额定电压为40V的1.55mΩ EPC2067s7碳化硅场效应晶体管用于同步整流器。这六个晶体管被分为两个分支，其中每个分支由控制三个EPC2067的并行阵列的LMG10208低侧栅极驱动器组成。所有功率晶体管和栅极驱动器均采用芯片级封装(CSP)，以实现最小尺寸并确保寄生参数最低。

与等效的硅MOSFET相比，由于eGaN晶体管具有较低的品质因数(RDS(on)×COSS)，所以在初级电路中选用eGaN晶体管特别有益。这是因为在相同的RDS(on)和额定电压条件下，GaN晶体管具有较低的COSS，因此可以将达到ZVS(在尽可能短的转换时间内)所需的磁化电流减至最小。最终结果是，频率可以提高到1MHz量级，并在保持高效率的同时，能够减小无源元器件的尺寸。

初级电路采用的uP1966E半桥栅极驱动器是该应用的理想选择，其关键特性包括最低可以达到80V的额定电压、尺寸最小以及所需外部元器件最少。同样，LMG1020 GaN FET驱动器为该应用提供了量身定制的解决方案，因为它的占用面积最小，所需的支持电路也最少，并且具有足够强大的驱动力，能够驱动三个并联的EPC2067 FET而不影响速度。虽然上面列出的元器件能够以非常紧凑的形式实现非常高的工作频率，但由于初级栅极驱动器和次级栅极驱动器之间的传播延迟不同，从而还会带来一些挑战。为了解决这种失配问题，系统中使用了3个具有独立双边缘控制功能的独特PWM发生器来实现初级电路和次级电路之间所需的同步。这种配置提供了所需的可编程灵活性，可确保初级电路中方波的平衡，并能通过控制死区时间实现初级电路中的ZVS，维持整流器晶体管中的ZVS/ZCS，从而将环流能量(circulating energy)减至最小。

变压器设计

变压器设计和磁芯材料选择取决于转换器的具体要求，比如：输入/输出电压比为4:1、1MHz谐振频率下的期望输出功率为1kW、最大尺寸为17.5×23mm²等。基于之前的经验，并在有限元仿真的帮助下，设计出了如图2(右)所示的、只有1个直径为6mm的中心柱和4个卫星式磁通量返回脚的磁芯形状。综合考虑铜绕组中的传导损耗和磁芯损耗，发现6mm的中心柱直径为最佳尺寸。至于图2(左)所示的磁芯顶部和底部侧盖的最终尺寸，则是磁通密度与磁芯利用率之间的折衷，目的是在不增加磁芯损耗的情况下扩大放置元器件的区域。注意，对于寄生电感最小化来说，接近变压器绕组的PCB实际面积至关重要，而次级线圈中的寄生电感对性能的影响也高达30%。

图2：优化后的磁芯俯视图和尺寸(左)；显示磁芯各处磁通密度的完整磁芯FEA模型(右)。

变压器磁芯采用了与软铁氧体材料相同的ML91S铁氧体磁芯，具有很好的温度和频率稳定性，工作频率甚至可以超过1MHz，并且磁通量密度容积功耗小于200kW/m3。通过调整两个半芯之间的气隙，可以实现约1.8µH的磁性电感。

PCB设计

变压器磁芯尺寸定义好后，初级和次级绕组被分布在16层PCB上，使电流围绕变压器磁芯的中心柱流动。每个初级线圈单独采用一层，厚度为3盎司，而次级的每个分支则采用相并行的3个3盎司层和1个2盎司层。内部的12层采用标准PCB技术制作，外层则采用HDI技术。这样，初级和次级元器件可以放置在电路板的顶部和底部，电流则可以有效地向下流入变压器绕组。

测试结果与改进

为了测试上述转换器，专门开发了一个主板，用来为模块提供输入/输出连接、额外的总线电容、内部用电源、用于精确效率测量的检测连接以及一个用于控制器板的连接器。图3中左侧是为该装置的示意图，右侧则为满载时的波形(中心)和效率曲线。25A条件下测得的峰值效率为96.3%，而84A(1KW)条件下测得的峰值效率为93.8%。

图3：测试系统示意图(左)；波形测量结果(中间)；VIN=48V时测量得的效率曲线(右)。

在后续的转换器改进中，控制器和内部电源将集成到模块中，同时保持总体尺寸不变。此外，还将增加一颗与变压器串联的小谐振电感器，在保持相同谐振频率的同时，用来增加Q值。另外，也会对PCB进行改进，将会利用双PCB解决方案替换原来的16层电路板，目的是减少铜损耗并提高整个系统的可制造性。

结论

本文表明，在48V至12V电源转换器中，GaN FET可以实现像采用48V架构数据中心所需的前所未有的功率密度(>4kW/吋³)。需要特别指出的是，采用芯片级封装(例如eGaN晶体管封装)的GaN技术与精心设计的磁性器件的完美组合，可以在1MHz频率下实现1kW的负载能力，并且峰值效率和满载效率分别可以达到96.3%和93.8%。

(参考原文：eGaN FETs Enable More Than 4-kW/in.3 Power Density for 48-V to 12-V Power Conversion）

本文为《电子工程专辑》2023年5月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。点击申请免费杂志订阅