動機

計算和電信市場的迅速擴展對於中間匯流排轉換器的需求變得越來越小型化、高效和高功率密度。LLC諧振轉換器是一個提供高功率密度和高效率解決方案的出色候選者。eGaN^® FETs 具有超低的導通電阻和寄生電容，能顯著降低使用矽MOSFET時的損耗，這對LLC諧振轉換器非常有利。使用eGaN FETs（如EPC2053 和 EPC2023）的48 V到6 V、900 W、1 MHz LLC DC到DC變壓器（DCX）轉換器，展示了峰值效率達98.1%，特定功率為48 W/cm² (308 W/in²)，功率密度為69 W/cm³ (1133 W/in³)。

高性能LLC DCX

圖1顯示了一個8:1轉換比的LLC作為DCX的電力架構示意圖，包括一個全橋初級和中心抽頭次級同步整流器。變壓器由一個2x2矩陣組成，每個單位的轉換比為4:1:1，確保了低繞組損耗、變壓器與同步整流器之間的低互連電感以及低外形高度。所有開關都可以在零電壓開關（ZVS）下運行，允許在整個負載功率範圍內以高頻率和高效率運行。並聯連接的同步整流器件進一步減少了導通損耗。

圖1: 900 W, 48 V到6 V LLC轉換器的電力架構示意圖

LLC轉換器的高性能eGaN FETs

eGaN FETs非常適合用於LLC轉換器，因其具有低閘極電荷（Q_G）並能以5 V閘極運行，這導致非常低的閘極功耗、低導通電阻和低輸出電容電荷（Q_OSS）。低輸出電荷通過兩個機制有利於LLC轉換器：1）LLC諧振槽實現ZVS所需的能量更低，2）增加有效占空比。EPC2053和EPC2023，如圖2所示，分別被選作初級和次級功率器件。EPC2053的額定電壓為100 V，導通電阻為4 mΩ，能夠承載32 A的連續電流。EPC2023的額定電壓為30 V，導通電阻為1.45 mΩ，能夠承載90 A的連續電流。兩者均可在高達150°C的結溫下運行。

圖2: EPC2053（上）和EPC2023（下）的焊接面照片

實驗驗證

使用EPC2053作為初級開關（Q1-Q4）和EPC2023作為次級同步整流器（SR1-SR16，其中SR9-SR16位於板的底部）構建了一個8:1比率，能夠提供900 W的LLC轉換器，如圖3所示。該電路板包括一個嵌入的2x2矩陣變壓器，位於14層電路板上的四極UI磁芯。

圖3: 使用EPC2053和EPC2023的8:1比率，900 W，LLC DCX

在滿功率和48 V輸入條件下測量的開關波形如圖4所示。通過觀察初級和次級器件上無過沖和振鈴，實現了完美的ZVS。

40 V、48 V和60 V輸入電壓下輸出功率作為函數的效率如圖5所示。它顯示了LLC轉換器在60 V和48 V輸入下分別達到98.1%和98%的峰值效率，並在廣泛的工作範圍內保持高效率。

圖4: 48 V輸入電壓和900 W負載條件下的開關波形

圖5: 40 V、48 V和60 V輸入電壓下輸出功率作為函數的效率

在54 V輸入、900 W負載和400 LFM氣流條件下LLC轉換器的熱性能如圖6所示。優異的熱性能表明所有主要元件的溫度均遠低於其最大運行限值。

圖6: 在54 V輸入和900 W負載下LLC轉換器的熱成像

結論

使用eGaN FETs構建的48 V到6 V LLC中間匯流排轉換器能夠提供900 W的功率，實驗峰值效率達98%。eGaN FETs的低閘極電容、低輸出電荷和低導通電阻是實現這一目標的關鍵，功率密度超過1100 W/in³。

Rick Pierson, Senior Manager, Digital Marketing