计算和数据中心中不断增长的计算能力和
电子设备的小型化给 48-V 电力传输和转换系统带来越来越大的压力。高效率和高功率密度的转换器可以降低系统级的功率损耗，同时允许更小的外形尺寸。在这种情况下，LLC 谐振拓扑与 GaN 技术相结合，成功地提供了出色的性能，正如多个示例所证明的那样。1–4本文将展示实现超过 4 kW/in 的关键设计参数和组件。3个使用 eGaN FET 的 48V 至 12V LLC 转换器中的功率密度。这项工作是参考文献 2 的演进，首次在参考文献 1 中引入，展示了 96.3% 的峰值效率和 93.8% 的峰值效率（当向 12-V 负载提供 1 kW 且模块尺寸为 17.5 × 22.8 × 7.7 mm 时）。
转换器概述
此处介绍的 LLC 谐振转换器具有一个初级全桥和一个用于次级的中心抽头全波同步整流器，如图 1（左）所示。两者都与一个匝数比为 4:1 的平面
变压器耦合。初级和次级中使用的功率 FET，以及变压器和印刷电路板，是该模块的关键组件。图 1（右）显示了组装好的整个模块的照片。
eGaN FET 可实现超过 4 kW/in.3 的功率密度，用于 48 V 至 12 V 电源转换
图 1：LLC 转换器的拓扑结构（左）；组装好的 LLC
电源转换器模块照片（右）
功率
晶体管和栅极驱动器
对于初级电路，四个额定电压为 100V 的 3.2mΩ EPC2218s 5与两个 uP1966Es 6半桥栅极驱动器 IC 结合使用。对于次级整流器，共有六个 40V 额定值 1.55mΩ EPC2067s 7用作同步整流器。这六个晶体管分为两个分支，其中每个分支都包含一个 LMG1020 8低侧栅极驱动器，用于控制三个 EPC2067 的并联阵列。所有功率晶体管和栅极驱动器均采用 CSP 格式，以实现尺寸和寄生元件。
与等效的 Si MOSFET 相比，考虑到较低的R DS(on) × C OSS品质因数，选择 eGaN 晶体管在初级方面尤其有利。这是因为对于类似的 R DS(on)和额定电压，GaN 晶体管提供较低的 C OSS，因此可以限度地减少在尽可能短的过渡时间内实现 ZVS 所需的磁化电流。因此，频率可以提高到 1 MHz 范围，从而在保持高效率的同时减小无源元件的尺寸。
用于初级的 uP1966E 半桥栅极驱动器非常适合此应用，其中 80V 额定值和尺寸及外部组件是关键特性。同样，LMG1020 为该插座提供了量身定制的解决方案，考虑到它的占位面积和所需的支持电路，以及能够在不影响速度的情况下驱动三个并联 EPC2067 FET 的足够强度。虽然上面列出的组件能够以非常紧凑的形式实现非常高的工作频率，但初级和次级栅极驱动器之间不同的传播延迟会带来一些挑战。为克服这些不匹配，使用三个具有独立双边沿控制的独特 PWM 发生器来对齐初级和次级电路之间所需的同步。
变压器设计
变压器设计和磁芯材料的选择取决于转换器要求、4:1 的输入/输出电压比、1 MHz 谐振频率下 1 kW 的所需输出功率以及 17.5 × 23 mm 的尺寸。基于以前工作的经验1,2在有限元模拟的帮助下，设计了一个具有单个 6 毫米直径中心柱和四个卫星磁通返回腿的磁芯形状，如图 2（右）所示。中心柱的 6 毫米直径被发现是考虑到铜绕组中的传导损耗和磁芯损耗的尺寸，如参考文献 1 中所分析的那样。图 2 中显示了磁芯顶盖和底盖的终尺寸（左）是通量密度和磁芯利用率之间的折衷方案，以在不增加磁芯损耗的情况下打开放置元件的区域。请注意，靠近变压器绕组的 PCB 实际状态对于化寄生电感至关重要。正如文献中所报道的那样，次级寄生电感对性能的影响高达 30%。4个
eGaN FET 可实现超过 4 kW/in.3 的功率密度，用于 48 V 至 12 V 电源转换
图 2：优化的顶视图和尺寸（左）；磁芯的完整 FEA 模型显示了整个磁芯的磁通密度（右）
ML91S，9与之前工作中使用的相同软铁氧体材料，2用于变压器磁芯。它在温度和频率范围内提供良好的稳定性，甚至超过 1 MHz，以及小于 200 kW/m 3的磁通密度体积功率损耗。两个磁芯半部之间的气隙经过调谐以实现大约 1.8 ?H 的磁化电感。
电路板设计
定义
变压器铁芯尺寸后，初级和次级绕组分布在 16 层上，绕变压器铁芯的中心柱路由电流。每层 3 盎司专门用于每个初级转弯和三个 3 盎司。层和一个 2 盎司。次级的每个分支都并联层。内部 12 层采用标准 PCB 技术制造，而 HDI 技术用于外层。这样，初级和次级组件可以放置在电路板的顶部和底部，电流有效地向下传送到变压器绕组。
测试结果和后续步骤
为了测试前面部分中描述的转换器，开发了一块母板来为模块提供输入/输出连接、额外的总线电容、内务电源、用于效率测量的感测连接，以及用于控制器板的连接器。图 3（左）提供了设置照片，以及满载时的波形（中）和效率曲线（右）。在 25 A 时测得的峰值效率为 96.3%，在 84 A (1 kW) 时测得的峰值效率为 93.8%。
eGaN FET 可实现超过 4 kW/in.3 的功率密度，用于 48 V 至 12 V 电源转换
图 3：组装好的测试系统照片（左）；测量波形（中心）；V IN = 48 V时测得的效率曲线（右）
在转换器的下迭代中，控制器和辅助电源将集成在模块中，同时保持相同的整体尺寸。此外，将添加一个与变压器串联的小型谐振电感器，以在保持相同谐振频率的同时提高 Q 因数。PCB 也将发生变化，因为 16 层板将被两层 PCB 解决方案取代，以减少铜损并提高整个系统的可制造性。
结论
本文中介绍的模块展示了 GaN FET 可以在 48-V 至 12-V 电源转换器中实现前所未有的功率密度水平（>4 kW/in. 3），例如具有 48-V 架构的数据中心所需的那些. 特别是，GaN 技术采用芯片级封装（如 eGaN 晶体管）与精心设计的磁性元件相结合，可在 1 MHz 频率下实现 1 kW 负载能力，峰值效率和满负载效率分别为 96.3% 和 93.8% ， 分别
