動機

計算和電信市場的快速擴展對中間總線轉換器提出了越來越緊湊、高效和高功率密度的解決方案需求。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優秀候選者。eGaN^® FET 以其超低導通電阻和寄生電容，顯著減少了LLC諧振轉換器的損耗，而這在使用矽MOSFET時是具有挑戰性的。展示了一個採用eGaN FET如EPC2053 和EPC2024 的48 V到12 V、900 W、1 MHz LLC DC到DC變壓器（DCX）轉換器，其峰值效率達到98.4%，功率密度超過1500 W/in³。

高性能LLC DCX

圖1顯示了一個4:1轉換比的LLC作為DCX運行的功率架構示意圖，包含全橋初級和同步整流的中心抽頭次級。變壓器由並聯連接的2x矩陣組成，每個單元的轉換比為4:1:1，確保低繞組損耗、低互聯電感和低剖面。所有開關都可以在零電壓開關（ZVS）下運行，允許高頻操作，並在幾乎整個負載功率範圍內保持高效率。並聯連接的同步整流器進一步降低了導通損耗。

圖1：900 W，48 V到12 V LLC的功率架構示意圖

LLC轉換器的高性能eGaN FET

eGaN FET非常適合LLC轉換器，因為它們具有低柵極電荷（Q_G）和5 V柵極操作，這共同帶來非常低的柵極功率消耗，與同等的MOSFET相比具有低導通電阻和低輸出電容電荷（Q_OSS）。較低的輸出電荷通過兩種機制減少了變壓器中的波動電流：1）LLC諧振槽所需的能量較低，2）增加了有效佔空比。EPC2053和EPC2024，見圖2，被選為初級和次級側的功率器件。EPC2053的額定電壓為100 V，導通電阻為4 mΩ，能夠承受32 A的連續電流。EPC2024 的額定電壓為40 V，導通電阻為1.5 mΩ，能夠承受90 A的連續電流。兩個eGaN FET都可以在最高150°C的結溫下運行。

圖2：EPC2053（上）和EPC2024（下）的凸點側照片

實驗驗證

使用EPC2053作為初級側開關（Q1-Q4），EPC2024作為次級側同步整流器（SR1-SR8，其中SR5-SR8位於板的底部），構建了一個4:1比例、900 W能力的LLC DCX，見圖3。該板包含一個嵌入的2x矩陣變壓器在14層板上，具有兩極核心。

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

圖4顯示了在全功率和48 V輸入下測得的開關波形。由於主要和次級側設備均沒有過衝和振鈴，實現了完美的ZVS。

圖5繪製了40 V、48 V和60 V輸入電壓下的輸出功率效率。它顯示LLC轉換器在60 V和48 V輸入下的峰值效率分別為98.4%和98.3%，並且在寬廣的操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輸入電壓下的輸出功率效率

圖6顯示了在54 V輸入、900 W負載和400 LFM氣流條件下運行的LLC轉換器的熱性能。優異的熱性能顯示所有主要元件的溫度遠低於其最大運行極限。

圖6：在54 V輸入和900 W負載下運行的LLC轉換器的熱圖像

結論

使用eGaN FET構建的48 V到12 V LLC中間總線轉換器能夠提供900 W，實驗效率超過98%。eGaN FET的低柵極電容、低輸出電荷和低導通電阻是實現這一點的關鍵，功率密度超過1500 W/in³。

Rick Pierson, Senior Manager, Digital Marketing