400W 轉(zhuǎn)換器拓?fù)?br>

　　此類設(shè)備（例如 Apple Studio Display 中的設(shè)備）的 400 W PSU 通常由兩個階段組成。功率因數(shù)校正 (PFC) 升壓電路將交流電源電壓轉(zhuǎn)換為 380 V DC。第二階段是半橋配置的隔離 LLC DC/DC 轉(zhuǎn)換器，可產(chǎn)生 20 V 和 24 V 的穩(wěn)壓電壓。實(shí)現(xiàn)此電源轉(zhuǎn)換器的典型電路如圖 1 所示。

　　兩級功率轉(zhuǎn)換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
　　圖 1：兩級功率轉(zhuǎn)換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（Li, B., Huang, X., & Zhang, J., 2024）
　　為了在效率和 EMI 輻射之間取得良好的平衡，升壓 PFC 以 65 kHz 開關(guān)頻率運(yùn)行。相反，由于開關(guān)損耗減少，LLC 諧振轉(zhuǎn)換器可以以接近 150 kHz 的頻率進(jìn)行開關(guān)。
　　GaN 是正確的技術(shù)
　　GaN 晶體管的商業(yè)化使得提高電源轉(zhuǎn)換器的開關(guān)速度成為可能。因此，平面變壓器可以輕松集成到 PCB 上，同時顯著減小磁性元件的尺寸。還可以將諧振電感器集成到變壓器中，從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)小型化。平面變壓器和平面電感器采用扁平分層結(jié)構(gòu)設(shè)計，而不是傳統(tǒng)的繞線線圈。
　　通過使用 Navitas 專有的 GaNFast 半橋 IC 和 GaNSense，可以構(gòu)建高效率和高密度 LLC 轉(zhuǎn)換器。這些組件包括兩個 GaN FET 和驅(qū)動器以及控制、電平轉(zhuǎn)換器、自舉電路（用于為高端開關(guān)供電）、傳感和保護(hù)，它們都安裝在一個薄型、熱增強(qiáng)型 6 × 8 毫米 QFN 封裝中。圖 2 提供了有關(guān)封裝引腳排列和散熱墊的更多詳細(xì)信息。
　　高端 I/O 引腳包括高端 IC 電源引腳，而低端 I/O 引腳包括 PWM 輸入、dV/dt 開啟控制和電流感應(yīng)輸出。低端源極焊盤（帶 I/O 引腳）與高端源極焊盤（帶 I/O 引腳）之間有適當(dāng)?shù)母邏号离娋嚯x。GaN 晶體管產(chǎn)生的熱量通過 QFN 封裝底部的源極冷卻墊排到 PCB。然后使用較大的 PCB 銅面積和散熱孔將熱量傳導(dǎo)到 PCB 的另一側(cè)和/或具有較大銅平面的更多層，然后熱量可以在那里擴(kuò)散。

　　Navitas GaN半橋IC。

　　圖 2：Navitas GaN 半橋 IC（Navitas Semiconductor）
　　諧振 LLC 轉(zhuǎn)換器的工作原理
　　從圖 1 中我們可以看到 LLC 部分由半橋、諧振回路、變壓器和整流器網(wǎng)絡(luò)組成，該網(wǎng)絡(luò)采用同步整流器 (SR) FET 代替二極管來實(shí)現(xiàn)，以提高效率和驅(qū)動能力。半橋的兩個開關(guān)以 50% 的占空比開啟（實(shí)際上，允許死區(qū)時間以避免任何擊穿風(fēng)險）；因此，在諧振回路的輸入端會產(chǎn)生方波，諧振回路充當(dāng)濾波器以產(chǎn)生基頻的正弦波。然后，正弦波通過高頻變壓器傳輸?shù)酱渭墏?cè)，從而降低電壓。，SR 將正弦波轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流輸出。LLC 轉(zhuǎn)換器的效率是通過諧振回路允許軟開關(guān)和降低開關(guān)損耗的能力來實(shí)現(xiàn)的。

　　圖 3 示出了諧振回路的示意圖，由諧振電容 C r、諧振電感 L r、磁化電感 L m和交流等效負(fù)載 R AC組成。LLC 轉(zhuǎn)換器由于具有兩個諧振頻率而具有較寬的操作范圍和較高的效率：fr1 = 1 ÷ [2p√( L r C r )] 和 fr2 = 1 ÷ [2p√( L r + L m ) C r ]，其中 fr1 > fr2 。當(dāng)頻率 f > fr1時，負(fù)載諧振回路的輸入阻抗為感性，而當(dāng)f < fr2時，輸入阻抗為容性。在頻率區(qū)域fr2 < f < fr1中，阻抗可以是感性也可以是容性，具體取決于負(fù)載電阻 R。LLC 諧振轉(zhuǎn)換器通常工作在諧振回路的輸入阻抗為感性的區(qū)域；即，它隨頻率的增加而增加。這意味著可以通過改變轉(zhuǎn)換器的工作頻率來控制功率流，這樣負(fù)載的功率需求減少就會導(dǎo)致頻率上升，而負(fù)載的功率需求增加就會導(dǎo)致頻率降低。

　　諧振回路的等效示意圖。
　　圖 3：諧振回路等效示意圖。R AC是交流等效負(fù)載電阻。
　　磁性設(shè)計
　　矩陣變壓器是 PCB 平面變壓器的良好解決方案。矩陣變壓器由多個較小的“元件”組成，這些元件以矩陣形式相互連接。橫截面積較小的元件可形成能夠處理高功率的小型變壓器。小元件的散熱效率也更高，并且更容易散熱?！熬仃囎儔浩鳌钡拿Q源于其初始配置，該配置具有行和列。具有四列和三行的矩陣變壓器可以提供 4:3 的有效匝數(shù)比。
　　諧振 LLC 設(shè)計的矩陣變壓器的等效磁阻模型相當(dāng)復(fù)雜，但相對簡單的方程式可以計算出 L r（等于集成磁結(jié)構(gòu)的漏電感）和 L m。此外，還可以獲得矩陣變壓器的改進(jìn)版本，與傳統(tǒng)矩陣變壓器相比，其降低了芯板中的磁通密度。在改進(jìn)的布置中，芯板的磁通密度分布在整個板上，因此變得更低。因此，鐵損大幅降低，同時板的厚度變小。
　　該轉(zhuǎn)換器模塊經(jīng)過了 500 kHz 和 400 W 輸出功率測試，并具備熱管理功能，高度集成，包含半橋 NV6247 IC 以及 C r、輸出 SR 和輸出電容器，因此只需 PWM 信號和電源即可運(yùn)行。 7 mm 的爬電距離確保了實(shí)際使用中的安全性。該電源轉(zhuǎn)換器還可以通過自然對流提供 300 W 功率。該模塊的尺寸為 62.5 × 37.2 × 8 mm，功率密度達(dá)到 21.5 kW/L（0.35 kW/in. 3）。
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