Полевые транзисторы eGaN® позволяют достичь в резонансном LLC-конвертере 48…12 В КПД выше 98%

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
673
В избранное

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.

 Схема LLC, 900 Вт, 48…12 В 

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.

Внешний вид объемной стороны EPC2053 (а) и EPC2024 (б)

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.

LLC-конвертер 4:1, 900 Вт, DCX с использованием EPC2053 и EPC2024

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.

Переключение сигналов при входном напряжении 48 В и нагрузке 900 Вт

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.

КПД как функция выходной мощности при входном напряжении 40, 48 и 60 В

Рис. 5. КПД как функция выходной мощности при входном напряжении 40, 48 и 60 В

Тепловое изображение преобразователя LLC, работающего с входным напряжением 54 В и нагрузкой 900 Вт

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.

Журнал: https://epc-co.com
Производитель: Efficient Power Conversion (EPC) Corporation
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
EPC2024ENG
EPC2024ENG
Efficient Power Conversion (EPC) Corporation
Арт.: 3095697 ИНФО PDF AN DT
Поиск
предложений
Транзистор GaNFET N-Channel, Gallium Nitride 40V 60A Параметры: Drain to Source Voltage (Vdss) 40V Current - Continuous Drain (Id) @ 25°C 60A (Ta) Rds On (Max) @ Id, Vgs 1.5 mOhm @ 37A, 5V Vgs(th) (Max) @ Id 2.5V @ 19mA Input Capacitance (Ciss) @ Vds 2100pF @ 20V
EPC2024ENG
-
Поиск
предложений

Сравнение позиций

  • ()