用于CRPS应用的采用氮化镓功率集成电路的带平面矩阵变压器的高频高效LLC模块

随着云计算和人工智能的快速发展，数据中心对电源的需求不断增加，对其功率密度和效率也提出了更高要求。在数据中心中，Common Redundant Power Supply (CRPS) 是常用标准，典型拓扑为Boost PFC后接LLC谐振转换器，前者将交流电转换为380V直流电，后者将其转换为12V输出。80Plus制定了电源效率认证标准，其中钛金标准要求50%负载时效率超96%，20%负载时超94% 。
论文下载：*附件：High-Frequency-High-Efficiency-LLC-Module-with-Planar-Matrix-Transformer-for-CRPS-Application-Using-GaN-Power-IC-paper.pdf

1. Navitas GaN IC的应用 ：氮化镓（GaN）晶体管相比传统硅晶体管，具有更大带隙、更高电子迁移率和速度。Navitas的集成GaN HEMT IC，集成了GaN HEMT和定制驱动器，可实现 “数字输入，功率输出”，仅需数字高低信号就能可靠驱动内部GaN HEMT，且栅极电压纯净，减少了寄生效应，能实现更快开关速度、更高效率和更大功率密度。
2. 矩阵变压器设计
   • 输出组数确定 ：由于CRPS应用中LLC变压器输出电流高，需多组输出降低传导损耗。通过计算同步整流器（SR）的驱动损耗、传导损耗和体二极管传导损耗，综合考虑平衡损耗、系统成本和空间限制，确定六组输出为最优，优化后减少为三组。
   • 矩阵变压器优势 ：传统并联绕组和SR会导致终端损耗，采用多个变压器并联可简化终端，减少交流相关传导损耗和漏磁通，但会增加磁芯损耗和尺寸。矩阵变压器通过磁芯间磁通抵消，减少了磁芯体积和损耗。对于CRPS中的LLC应用，选择初级串联、次级并联的方式，计算出合适匝数比为15（每个变压器匝数比为5）。
   • PCB绕组设计 ：采用10层PCB并实施交错结构，以减少因趋肤效应和邻近效应导致的高交流绕组损耗。初级绕组在4层PCB上共5匝且串联，次级绕组在6层PCB上且并联，以处理大电流。通过3D FEA模拟，验证了该设计能有效抑制磁动势（MMF），提高绕组传导效率。
3. 实验验证 ：基于设计的矩阵变压器搭建了实验原型，测试其工作波形，在输出功率为1.25kW时进行了初步效率测试（包含谐振电感和辅助电源损耗）。该1.5kW LLC谐振转换器模块尺寸为90mm x 30.5mm x 11mm ，适配标准1U CRPS，开关频率超600kHz，效率超97.5%。搭配98.5%的图腾柱PFC后，系统在50%负载时峰值效率超96%，满足80Plus钛金标准。

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关键问题

1. Navitas GaN IC与传统硅基器件相比，在提升电源性能方面有哪些关键优势？
   • Navitas GaN IC集成了GaN HEMT和定制驱动器，可实现精准的栅极电压控制，开关速度更快。相比传统硅基器件，GaN具有更大带隙、更高电子迁移率和速度，能将开关频率提高到硅基器件的五倍以上，且在高频下仍能保持较高效率，有助于提升电源的功率密度。
2. 在矩阵变压器设计中，确定输出组数的依据是什么？
   • 确定输出组数主要依据是平衡同步整流器（SR）的驱动损耗、传导损耗和系统成本，同时要考虑电路板的空间限制。通过计算不同输出组数下SR的各类损耗，综合权衡后确定六组输出为最优，之后经过优化减少为三组，以在满足功率输出要求的同时，降低损耗并合理利用空间。
3. 采用PCB基矩阵变压器会面临什么挑战，如何解决？
   • 采用PCB基矩阵变压器面临的主要挑战是由于趋肤效应和邻近效应导致的高交流绕组损耗。解决方法是采用10层PCB并实施交错结构，通过合理安排绕组，使初级绕组在4层PCB上串联，次级绕组在6层PCB上并联，有效抑制磁动势（MMF），从而降低交流绕组损耗，提高绕组传导效率 。

审核编辑 黄宇