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eGaN FETを使った48 V入力、12 V出力の900 W小型LLC共振コンバータで98%以上の効率を得る

eGaN FETを使った48 V入力、12 V出力の900 W小型LLC共振コンバータで98%以上の効率を得る

4 03, 2019

動機

コンピュータや電気通信の市場の急速な拡大によって、中間バス・コンバータ向けに、これまで以上に小型、高効率、高電力密度のソリューションが求められています。LLC共振コンバータは、高電力密度と高効率のソリューションを提供するための優れた候補です。非常に小さい低オン抵抗と寄生容量を備えたeGaN® FETsは、Si MOSFETを使うときに困難だった大幅な損失低減によってLLC共振コンバータに貢献します。EPC2053EPC2024などのeGaN FETを採用した48 V入力、12 V出力の900 W、1 MHz動作の LLC DC-DCトランス(DCX)・コンバータがデモされ、電力密度1500 W / 立方インチ以上でピーク効率98.4%が得られています。

高性能LLC DCX

DCXとして動作する変換比4対1のLLCの電源回路アーキテクチャが図1です。フルブリッジの1次側と同期整流器を備えたセンター・タップ付き2次側で構成されています。トランスは並列接続した2×マトリックスで構成されており、各ユニットの変換比は4対1対1で、確実に低巻線損失、低相互接続インダクタンス、および薄型です。すべてのスイッチは、ゼロ電圧スイッチング(ZVS)で動作することができ、ほぼ全負荷電力範囲にわたって高効率で高周波動作が可能です。導通損失をさらに低減するために、並列接続した同期整流デバイスを使っています。

Power architecture schematic of the 900 W, 48 V to 12 V LLC
図1:48 V入力、12 V出力の900 WのLLCコンバータの電源アーキテクチャ回路図

LLCコンバータ用高性能eGaN FET

eGaN FETは、ゲートの消費電力が非常に小さく、同等のMOSFETに比べて低オン抵抗で、低出力電荷(QOSS)であり、これに加えてゲートの5 V動作で低ゲート電荷(QG)なのでLLCコンバータに最適です。出力電荷が小さいと、2つのメカニズムによってトランスのリップル電流が小さくなります。すなわち、1)LLC共振タンクに必要とされるエネルギーがより小さいこと、2)実効デューティ比が大きくなることです。図2に示したEPC2053とEPC2024は、それぞれ1次側パワー・デバイスと2次側パワー・デバイスとして選びました。EPC2053は、最大オン抵抗4 mΩ、定格100 Vで、32 Aの連続電流を供給できます。EPC2024 は、最大オン抵抗1.5 mΩ、定格40 Vで、90 Aの連続電流を流すことができます。いずれのeGaN FETも最大接合部温度150℃まで動作します。

Bump side of EPC2053 and EPC2023
図2:EPC2053(上図)とEPC2024(下図)のバンプ側の写真

実験的検証

DCXとして構成された比率4対1、900 W対応のLLCコンバータは、図3に示すように1次側スイッチ(Q1~Q4)にEPC2053を使い、2次側同期整流器(SR1~SR8、基板の裏面にSR5〜SR8)にEPC2024を使って構成しました。この基板は、2極のコアを備えた14層基板上に2×マトリックス・トランスを組み込んでいます。

An 8:1 ratio, 900 W, LLC DCX using EPC2053 and EPC2023
図3:EPC2053とEPC2024を使った比率4対1、900 WのLLC DCX

全電力、48 V入力で測定されたスイッチング波形が図4です。1次側と2次側の両方のデバイスにオーバーシュートとリンギングがないことから、完全なZVSが実現されていることは明らかです。

40 V、48 V、60 Vの入力電圧に対する出力電力と効率の関係を図5に示します。これは、LLCコンバータが60 Vと48 Vの入力でそれぞれ98.4%と98.3%のピーク効率が得られたことを示し、広い動作範囲にわたって高い効率を維持しています。

Switching waveforms at 48 V input voltage and 900 W load condition
図4:入力電圧48 V、負荷900 Wの条件でのスイッチング波形
Power efficiency as function of output power at 40 V, 48 V, and 60 V input voltage
図5:入力電圧40 V、48 V、60 Vでの出力電力と電力効率の関係

エアフロー400 LFMのとき、入力54 V、負荷900 Wで動作するLLCコンバータの熱特性が図6です。得られた優れた熱特性は、すべての主要部品の温度が最大動作温度の限界をはるかに下回っていることを示しています。

Thermal image of the LLC converter
図6:54 V入力、900 W負荷で動作するLLCコンバータの熱画像

結論

eGaN FETを使って構成した900 Wを供給できる48 V入力、12 V出力のLLC中間バス・コンバータは、実験で効率98%以上が得られました。eGaN FETの低ゲート容量、低出力電荷、低オン抵抗は、1500 W / 立方インチを超える電力密度で、これを実現するための鍵となりました。

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