以 1/8 砖的形式设计 700-W DCX

作者：John Glaser，高效电源转换应用工程总监

推动电力成为人类利用的主要和最通用的能源形式的关键技术之一是变压器。这种简单的设备能够实现电压、电流和阻抗的有效转换，进而使世界电气化以及所有电气和电子设备成为现实。由于早期的变压器是交流设备，尽管托马斯·爱迪生（Thomas Edison）和他尽最大努力促进交流而不是交流 [1]，但它们推动了世界向交流发电、配电和使用的方向发展。

然而，今天我们生活在一个电子世界，一个数字电子世界。这个数字电子世界是一个直流世界。这个世界是由开关模式电力电子设备实现的，它为直流世界提供与原始交流变压器相同的好处，以及调节和控制等新的好处。然而，DC-DC 转换器有一个特殊的化身，它非常符合其 AC 变压器的祖先，即 DC 变压器，通常被 DCX [2] 称为。DCX 一词通常指的是一种未稳压的 DC-DC 转换器，它以固定的转换比转换电压和电流，就像交流变压器一样。DCX 在数据中心和计算场中的分布式直流电源系统中特别有用。

在本文中，我们以 700 W 硬开关 4:1 DCX 为例，以 48 V 标称输入和 12- V 输出为 1/8砖 格式。

什么是 DCX？

DCX一般由逆变器、交流变压器和整流器组成，如图1所示。现代 DCX 使用半导体开关构成逆变器和整流器，并以高频运行以最小化变压器的尺寸。如果整流器采用有源开关（同步整流器或 SR），DCX 可以实现双向功率流动，并且逆变器和整流器的角色可以互换 [3]。开关的控制方式使得 DCX 尽可能接近标准变压器方程，即：

V IN = NV输出

NI IN = I OUT

请注意，DCX 不提供调节作为正常操作的一部分。这允许对电路进行高度优化，以实现最大效率和功率密度。现代 DCX 通常被期望提供一些附加功能，其中可能包括过流检测、电流限制、启用/禁用电源控制以及测量和诊断功能。

图 1：现代直流变压器 (DCX) 的框图。

在开发 DCX 的各种实现方面已经付出了巨大的努力。一些使用串联谐振转换器的变体以或非常接近谐振 [4]、[5] 运行。在以固定占空比运行逆变器和整流器时，这具有软开关和固有的类似变压器的作用，但 RMS 电流高于 PWM 转换器，实现电流限制是一个挑战。另一种有前途的方法是双主动桥（DAB）[6]，[7]。这种方法可以利用软开关，并且仍然具有低 RMS 电流。然而，DAB 本身并不遵循变压器方程，因此始终需要主动控制。

最简单的 DCX 采用标准硬开关拓扑实现，如图2 所示。该转换器作为降压转换器运行，运行在或非常接近最大可能有效占空比 D = 1，相当于图 2 中的所有开关以 50% 运行。这最大限度地提高了变压器利用率，并允许使用非常小的电感值，因为施加到电感器的伏秒低。事实上，电感器对于理想的 DCX 操作并不是绝对必要的，但一个小电感器可以在必要时限制电流，并用于过滤开关尖峰和相关的振铃。

图 2：基于降压转换器的隔离式硬开关 DCX。

它在哪里使用？

DCX 转换器的典型应用是作为分布式电源系统的一部分，如图3 所示。这样的系统只需要在负载处进行严格的电压调节，但仍然需要分布式电源系统的其他好处，例如高效率、提高安全性和降低电源总线成本。由于公用电力的历史和交流变压器的广泛使用[8]，此类系统的好处众所周知。

图 3：DCX 在分布式直流电力系统中的典型应用。

eGaN DCX

eGaN FET 的卓越 FOM 已得到充分证明 [9]，eGaN FET 提供的效率增益已经表明，硬开关 PWM 砖型转换器的功率密度可以提高近 70% [10]、[11] . 看看使用 eGaN FET 的 DCX 转换器可以实现什么样的性能是有意义的。

方法

为了评估 eGaN FET 在 DCX 转换器中的性能优势，决定采用最简单的方法，即使用标准硬开关转换器（图 2）。由于 EPC 已经设计了一个 8 砖演示板，EPC9115 500 W 50 V 至 12 V 标称、完全稳压的总线转换器（图 4)，以此作为基线设计开始是有意义的 [12]。为了作为 DCX 运行，只进行了一些简单的更改。首先，电感器从 470 nH、0.9 mΩ 模压粉芯电感器更改为 180 nH、0.3 mΩ 间隙铁氧体电感器。请注意，作为 DCX 运行实际上将允许使用更小值的电感器，但没有商业上具有更低 DCR 的更小值电感器大到足以连接到 PCB 上的焊盘。其次，软件中的最大占空比钳位从 0.98 更改为 0.985，以允许给定输入的输出略高。最后，死区时间从 25 ns 减少到 15 ns。

图 4：用作 DCX 基础的 EPC9115 八块砖演示板。

结果

修改后的 EPC9115 转换器在三个输入电压（48 V、50 V、52 V）下在最大负载电流为 62 A 的负载电流范围内进行了测试。图 5显示了 eGaN DCX 在 25C 时的效率结果（非热稳定状态）。一条非常平坦的效率曲线在所有输入电压的宽电流范围内达到 97%，并且 62 A 的输出功率对于 48 V 输入为 710 W，对于 52 V 输入为 771 W。62 A 负载时的最坏情况效率仍为 96.6%。

图 5：3 个 V IN值 （48 V、50 V、52 V）下的 eGaN DCX 效率和输出电压。请注意，最大输出电流为 62 A，对应于 V IN = 48 V 时的 710 W 和 V IN = 52 V 时的 771 W。

图 5 的结果可用于与其他转换器进行基线比较，但并不代表实际的操作条件。图 6显示了转换器在热稳定状态下的热图像，在 24°C 下，400 LFM 气流，V IN = 48 V，I OUT = 58.4 A，输出功率为 667 W。在这种情况下，最高温度为108°C 在变压器铁芯上。次级侧 eGaN FET 在 106°C 下运行，初级侧 eGaN FET 在相对凉爽的 84°C 下运行。

图 6：eGaN DCX 的热图像，V IN = 48 V。I OUT = 58.4 A 和 P OUT = 667 W，在 24°C 下以 400 LFM (2 m/s) 气流在热稳定状态下运行。

下一步是什么？

硬开关转换器中的 eGaN FET 经验证的效率和功率密度远远超过了类似转换器中的硅 MOSFET。虽然通过在软开关转换器中使用硅 MOSFET 可能实现类似的性能，但这种设计具有挑战性，并且如前所述具有许多限制。此外，由于卓越的品质因数，eGaN FET 很可能会从这种方法中受益。

请注意，所有测试都是在没有散热器的情况下完成的。 大多数大功率硅基砖转换器采用集成散热器。已经表明，eGaN FET 的顶部散热能力可以允许高达 30% 的电流，因此可以做出很大的改进 [13]。

最后，基于对完全稳压 EPC9115 八砖转换器的修改来评估 DCX 性能。但是，预先将转换器设计为 DCX 可以进行许多进一步的优化，例如控制简化、变压器改进以及使用更小的电感器来缩短大电流输出路径。在 60 A 时，1 m 电阻器的功耗为 3.6 W。对于 700 W DCX，每毫欧的损耗增加 10-15%。在这些高输出电流下，一个关键挑战是如何从如此小的转换器中获取电流。

结论

eGaN FET 的卓越性能使工程能够将传统硬开关 DCX 性能的极限推向远超硅 MOSFET 的极限。

审核编辑 黄昊宇