400W 转换器拓扑
此类设备（例如 Apple Studio Display 中的设备）的 400 W PSU 通常由两个阶段组成。功率因数校正 (PFC) 升压电路将交流电源电压转换为 380 V DC。第二阶段是半桥配置的隔离 LLC DC/DC 转换器，可产生 20 V 和 24 V 的稳压电压。实现此电源转换器的典型电路如图 1 所示。
两级功率转换器的拓扑结构。
图 1：两级功率转换器的拓扑结构（来源：Li, B., Huang, X., & Zhang, J., 2024）
为了在效率和 EMI 辐射之间取得良好的平衡，升压 PFC 以 65 kHz 开关频率运行。相反，由于开关损耗减少，LLC 谐振转换器可以以接近 150 kHz 的频率进行开关。
GaN 是正确的技术
GaN 晶体管的商业化使得提高电源转换器的开关速度成为可能。因此，平面变压器可以轻松集成到 PCB 上，同时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，从而进一步实现小型化。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。
通过使用 Navitas 专有的 GaNFast 半桥 IC 和 GaNSense，可以构建高效率和高密度 LLC 转换器。这些组件包括两个 GaN FET 和驱动器以及控制、电平转换器、自举电路（用于为高端开关供电）、传感和保护，它们都安装在一个薄型、热增强型 6 × 8 毫米 QFN 封装中。图 2 提供了有关封装引脚排列和散热垫的更多详细信息。
高端 I/O 引脚包括高端 IC 电源引脚，而低端 I/O 引脚包括 PWM 输入、dV/dt 开启控制和电流感应输出。低端源极焊盘（带 I/O 引脚）与高端源极焊盘（带 I/O 引脚）之间有适当的高压爬电距离。GaN 晶体管产生的热量通过 QFN 封装底部的源极冷却垫排到 PCB。然后使用较大的 PCB 铜面积和散热孔将热量传导到 PCB 的另一侧和/或具有较大铜平面的更多层，然后热量可以在那里扩散。
Navitas GaN半桥IC。
图 2：Navitas GaN 半桥 IC（来源：Navitas Semiconductor）
谐振 LLC 转换器的工作原理
从图 1 中我们可以看到 LLC 部分由半桥、谐振回路、变压器和整流器网络组成，该网络采用同步整流器 (SR) FET 代替二极管来实现，以提高效率和驱动能力。半桥的两个开关以 50% 的占空比开启（实际上，允许死区时间以避免任何击穿风险）；因此，在谐振回路的输入端会产生方波，谐振回路充当滤波器以产生基频的正弦波。然后，正弦波通过高频变压器传输到次级侧，从而降低电压。，SR 将正弦波转换为稳定的直流输出。LLC 转换器的效率是通过谐振回路允许软开关和降低开关损耗的能力来实现的。
图 3 示出了谐振回路的示意图，由谐振电容 C r、谐振电感 L r、磁化电感 L m和交流等效负载 R AC组成。LLC 转换器由于具有两个谐振频率而具有较宽的操作范围和较高的效率：fr1 = 1 ÷ [2p√( L r C r )] 和 fr2 = 1 ÷ [2p√( L r + L m ) C r ]，其中 fr1 > fr2 。当频率 f > fr1时，负载谐振回路的输入阻抗为感性，而当f < fr2时，输入阻抗为容性。在频率区域fr2 < f < fr1中，阻抗可以是感性也可以是容性，具体取决于负载电阻 R。LLC 谐振转换器通常工作在谐振回路的输入阻抗为感性的区域；即，它随频率的增加而增加。这意味着可以通过改变转换器的工作频率来控制功率流，这样负载的功率需求减少就会导致频率上升，而负载的功率需求增加就会导致频率降低。
谐振回路的等效示意图。
图 3：谐振回路等效示意图。R AC是交流等效负载电阻。
磁性设计
矩阵变压器是 PCB 平面变压器的良好解决方案。矩阵变压器由多个较小的“元件”组成，这些元件以矩阵形式相互连接。横截面积较小的元件可形成能够处理高功率的小型变压器。小元件的散热效率也更高，并且更容易散热。“矩阵变压器”的名称源于其初始配置，该配置具有行和列。具有四列和三行的矩阵变压器可以提供 4:3 的有效匝数比。
谐振 LLC 设计的矩阵变压器的等效磁阻模型相当复杂，但相对简单的方程式可以计算出 L r（等于集成磁结构的漏电感）和 L m。此外，还可以获得矩阵变压器的改进版本，与传统矩阵变压器相比，其降低了芯板中的磁通密度。在改进的布置中，芯板的磁通密度分布在整个板上，因此变得更低。因此，铁损大幅降低，同时板的厚度变小。
该转换器模块经过了 500 kHz 和 400 W 输出功率测试，并具备热管理功能，高度集成，包含半桥 NV6247 IC 以及 C r、输出 SR 和输出电容器，因此只需 PWM 信号和电源即可运行。 7 mm 的爬电距离确保了实际使用中的安全性。该电源转换器还可以通过自然对流提供 300 W 功率。该模块的尺寸为 62.5 × 37.2 × 8 mm，功率密度达到 21.5 kW/L（0.35 kW/in. 3）。
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