Растущий рынок вычислительной техники и телекоммуникаций требует все более компактных решений с высокими показателями КПД и плотности мощности для промежуточных шинных преобразователей. Замечательным вариантом для таких задач является резонансный LLC-конвертер. По сравнению с кремниевыми полевыми транзисторами, полевые транзисторы eGaN с их сверхнизким сопротивлением и малыми паразитными емкостями выгодны для применения в резонансных LLC-преобразователях благодаря малому уровню потерь. Рассмотрим DC/DC-преобразователь (DCX) 48…12 В, 900 Вт, 1 МГц с максимальным показателем эффективности 98,4% и плотностью мощности выше 1500 Вт/дюйм3, использующий полевые eGaN-транзисторы EPC2053 и EPC2024.
Высокая производительность LLC DCX
Схема силовой архитектуры LLC-преобразователя с коэффициентом преобразования 4:1, работающего как DCX, показана на рисунке 1 и содержит мост и центральный отвод с синхронным выпрямителем. Низкопрофильный трансформатор состоит из параллельно подключаемой двумерной матрицы, каждый блок которой имеет коэффициент преобразования 4:1:1, что обеспечивает низкий уровень потерь в обмотке и малую индуктивность соединений. Все переключатели могут работать в ZVS-режиме (при нулевом напряжении) на высокой частоте с большой эффективностью практически во всем мощностном диапазоне. Параллельно подключенные синхронные выпрямительные устройства используются для дальнейшего снижения потерь проводимости.
Рис. 1. Схема LLC, 900 Вт, 48…12 В
Преимущества полевых транзисторов eGaN для LLC-конвертеров
Полевые транзисторы eGaN хорошо подходят для LLC-преобразователей благодаря малому заряду затвора (QG) при напряжении 5 В, что в совокупности дает очень скромные величины энергопотребления, сопротивления при включении (по сравнению с эквивалентными МОП-транзисторами) и выходного емкостного заряда (QOSS). Низкий выходной заряд уменьшает пульсацию тока в трансформаторе двумя путями:
- снижается уровень энергии, необходимый для резонансного резервуара LLC-преобразователя;
- возрастает эффективный рабочий цикл.
EPC2053 и EPC2024, показанные на рисунке 2, были выбраны для первичной и вторичной силовых частей, соответственно.
Рис. 2. Внешний вид объемной стороны EPC2053 и EPC2024
EPC2053 рассчитан на 100 В с сопротивлением включения 4 мОм и способен выдерживать постоянный ток 32 А. EPC2024 рассчитан на 40 В с сопротивлением включения 1,5 мОм и способен выдерживать постоянный ток 90 А. Оба полевых транзистора eGaN могут работать при температуре соединений до 150°C.
Проверка на практике
Резонансный LLC-конвертер на 900 Вт с коэффициентом преобразования 4:1 (рисунок 3), сконфигурированный как DCX, был построен с использованием EPC2053 для коммутаторов первичной стороны (Q1-Q4) и EPC2024 - для синхронных выпрямителей вторичной стороны (SR1-SR8 с SR5-SR8 на нижней стороне платы). Плата включает в себя встроенный матричный двумерный трансформатор на 14-слойной плате с двухполюсным сердечником.
Рис. 3. LLC-конвертер 4:1, 900 Вт, DCX с использованием EPC2053 и EPC2024
Экспериментально измеренные формы сигнала переключения при полной мощности и входном напряжении 48 В показаны на рисунке 4. В ходе эксперимента был достигнут идеальный ZVS, о чем свидетельствует отсутствие перерегулирования и звона на первичной и вторичной сторонах устройства.
Рис. 4. Переключение сигналов при входном напряжении 48 В и нагрузке 900 Вт
КПД как функция выходной мощности для входных напряжений 40 В, 48 В и 60 В, представлен на рисунке 5. На нем показано, что преобразователь LLC имеет пиковый КПД 98,4% и 98,3% при входных напряжениях 60 В и 48 В соответственно, и высокую эффективность в широком рабочем диапазоне. Тепловые характеристики преобразователя LLC, работающего при входном напряжении 54 В, нагрузке 900 Вт и с расходом воздуха 400 фут3/мин, показаны на рисунке 6. Достигнутые отличные тепловые характеристики показывают, что температуры всех основных компонентов намного ниже максимальных рабочих пределов.
Рис. 5. КПД как функция выходной мощности при входном напряжении 40, 48 и 60 В
Рис. 6. Тепловое изображение преобразователя LLC, работающего с входным напряжением 54 В и нагрузкой 900 Вт
Заключение
LLC-конвертер 48…12 В, построенный с использованием полевых транзисторов eGaN и способный выдавать 900 Вт, в результате эксперимента показал КПД выше 98%. Малые значения емкости затвора, выходного заряда и сопротивления на полевых транзисторах eGaN при плотности мощности, превышающей 1500 Вт/дюйм3, послужили решающими факторами для достижения данного результата.
