动机

计算和电信市场的快速扩展要求中间总线转换器的解决方案越来越紧凑、高效和高功率密度。LLC谐振转换器是提供高功率密度和高效解决方案的优秀候选者。eGaN^® FETs 以其超低导通电阻和寄生电容，通过显著降低损耗，受益于LLC谐振转换器，这是使用Si MOSFET时面临的挑战。展示了一种48V到6V、900W、1MHz的LLC DC到DC变压器（DCX）转换器，采用了如EPC2053 和 EPC2023等eGaN FET，峰值效率达98.1%，比功率为48W/cm² (308 W/in²)，功率密度为69W/cm³ (1133 W/in³)。

高性能LLC DCX

图1显示了8:1转换比的LLC作为DCX的电源架构示意图，包括全桥初级和带同步整流器的中心抽头次级。变压器由一个2x2矩阵组成，每个单元的转换比为4:1:1，确保低绕组损耗、变压器与同步整流器之间低互连电感和低剖面。所有开关可以在零电压开关（ZVS）下工作，允许高频操作，在整个负载功率范围内具有高效率。并联连接的同步整流器件用于进一步减少导通损耗。

图1：900W, 48V到6V LLC转换器的电源架构示意图

用于LLC转换器的高性能eGaN FET

eGaN FET非常适合LLC转换器，因为它们具有低栅极电荷(Q_G)和5V栅极操作，产生非常低的栅极功率消耗、低导通电阻和低输出电容电荷(Q_OSS)。较低的输出电荷通过两种机制使LLC转换器受益：1) LLC谐振回路实现ZVS所需的能量更低，2) 提高有效占空比。EPC2053和EPC2023如图2所示，分别选作初级和次级功率器件。EPC2053额定电压为100V，导通电阻为4mΩ，能够承载32A连续电流。EPC2023额定电压为30V，导通电阻为1.45mΩ，能够承载90A连续电流。两款eGaN FET都能在高达150°C结温下运行。

图2：EPC2053（上）和EPC2023（下）的凸点面照片

实验验证

使用EPC2053作为初级开关(Q1-Q4)和EPC2023作为次级同步整流器(SR1-SR16，其中SR9-SR16在板的底部)如图3所示，构建了一个8:1比例、900W的LLC转换器配置为DCX。该板包含一个嵌入的2x2矩阵变压器，位于14层板上，带有四极UI芯。

图3：使用EPC2053和EPC2023的8:1比例、900W、LLC DCX

图4显示了在满功率和48V输入下测得的开关波形。通过初级和次级设备上无过冲和振铃可以看出，完美的ZVS得以实现。

图5绘制了40V、48V和60V输入电压下输出功率随效率的变化情况。显示LLC转换器在60V和48V输入下的峰值效率分别为98.1%和98%，并在宽广的工作范围内保持高效率。

图4：48V输入电压和900W负载条件下的开关波形

图5：40V、48V和60V输入电压下输出功率随效率的变化情况

图6显示了LLC转换器在54V输入、900W负载和400 LFM气流下的热性能。出色的热性能表明所有主要组件的温度远低于其最大工作限制。

图6：在54V输入和900W负载下LLC转换器的热成像

结论

使用eGaN FETs构建的48V到6V LLC中间总线转换器能够提供900W，实验峰值效率为98%。eGaN FETs的低栅极电容、低输出电荷和低导通电阻是实现超过1100W/in³功率密度的关键。

Rick Pierson, Senior Manager, Digital Marketing