动机

计算和电信市场的快速扩展要求中间总线转换器提供更加紧凑、高效和高功率密度的解决方案。LLC谐振转换器是提供高功率密度和高效解决方案的出色候选者。eGaN^® FETs凭借其超低的导通电阻和寄生电容，有助于LLC谐振转换器显著降低损耗，而这是使用硅MOSFET时很难实现的。采用EPC2053和EPC2024等eGaN FETs的48 V到12 V，900 W，1 MHz LLC DC到DC变压器（DCX）转换器被证明实现了98.4%的峰值效率和超过1500 W/in³的功率密度。

高性能LLC DCX

图1所示为4:1转换比LLC作为DCX运行的电源架构示意图，包括一个全桥初级和带同步整流器的中心抽头次级。变压器由一个并联连接的2x矩阵组成，每个单元具有4:1:1的转换比，确保低绕组损耗、低互连电感和低剖面。所有开关都可以在零电压开关（ZVS）下运行，允许在几乎整个负载功率范围内以高效率进行高频操作。并联连接的同步整流器件用于进一步减少导通损耗。

图1: 900 W, 48 V到12 V LLC的电源架构示意图

用于LLC转换器的高性能eGaN FETs

eGaN FETs非常适合LLC转换器，因为它们具有低栅极电荷（Q_G）和5 V栅极操作，结合起来产生非常低的栅极功耗，与等效MOSFET相比具有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减少变压器中的波纹电流：1）LLC谐振槽所需的能量较低，2）有效占空比增加。EPC2053和EPC2024分别作为初级和次级电源器件，如图2所示。EPC2053额定值为100 V，导通电阻为4 mΩ，能够承载32 A的连续电流。EPC2024额定值为40 V，导通电阻为1.5 mΩ，能够承载90 A的连续电流。两种eGaN FETs都可以在高达150°C的结温下运行。

图2: EPC2053（上）和EPC2024（下）的凸点侧照片

实验验证

一个4:1比例、900 W的LLC配置为DCX，使用EPC2053作为初级开关（Q1-Q4）和EPC2024作为次级同步整流器（SR1-SR8，其中SR5-SR8位于板的底部），如图3所示。板上包含一个嵌入式2x矩阵变压器，位于14层板上，具有双极磁芯。

图3: 使用EPC2053和EPC2024的4:1比例、900 W LLC DCX

如图4所示，在满功率和48 V输入下测量的开关波形。完美的ZVS通过初级和次级设备上没有过冲和振铃得以实现。

如图5所示，40 V、48 V和60 V输入电压下输出功率与效率的关系。结果表明，LLC转换器在60 V和48 V输入时的峰值效率分别为98.4%和98.3%，并在宽广的工作范围内保持高效率。

图4: 48 V输入电压和900 W负载条件下的开关波形

图5: 40 V、48 V和60 V输入电压下输出功率与效率的关系

图6显示了在54 V输入、900 W负载和400 LFM气流下LLC转换器的热性能。出色的热性能显示所有主要组件的温度远低于其最大操作限制。

图6: 54 V输入和900 W负载下LLC转换器的热成像图

结论

使用eGaN FETs构建的48 V到12 V LLC中间总线转换器能够提供900 W的功率，实验效率超过98%。eGaN FETs的低栅极电容、低输出电荷和低导通电阻是实现这一点的关键，功率密度超过1500 W/in³。

Rick Pierson, Senior Manager, Digital Marketing