1 kW 高密度LLC電源模塊中使用的平面變壓器概述

不斷增長的數(shù)據(jù)中心電源需求正在推動服務(wù)器設(shè)備制造商達(dá)到更高的電源轉(zhuǎn)換效率，以減少其系統(tǒng)的熱足跡。從 12 V 配電總線過渡到 48 V 總線，需要高效率、小尺寸降壓轉(zhuǎn)換器（48 V 至 12 V）。

電感-電感-電容（LLC）轉(zhuǎn)換器是公認(rèn)的總線轉(zhuǎn)換器首選拓?fù)?，因?yàn)樗軌蛟诟唛_關(guān)頻率下在寬負(fù)載范圍內(nèi)保持零電壓開關(guān)。在本電源提示中，我將概述效率超過 98% 的高密度 1 MHz 1 kW 八分之一磚 LLC 轉(zhuǎn)換器中使用的變壓器。

任何實(shí)用的LLC轉(zhuǎn)換器設(shè)計都始于諧振電路的設(shè)計。為了使LLC轉(zhuǎn)換器盡可能高效，轉(zhuǎn)換器將以接近諧振的固定頻率以開環(huán)控制運(yùn)行。使用變壓器漏感作為諧振電感將最大限度地減小整個轉(zhuǎn)換器的尺寸。該設(shè)計的工作頻率為1 MHz，以保持變壓器和相關(guān)無源元件的尺寸盡可能小。表 1 顯示了為此設(shè)計選擇的儲罐參數(shù)。

表1LLC 儲罐參數(shù)，用于在 1 MHz 下運(yùn)行的設(shè)計。

為了最大限度地提高效率，需要為同步整流器使用多個并聯(lián)場效應(yīng)晶體管（FET）。圖1所示的矩陣變壓器結(jié)構(gòu)將強(qiáng)制多個FET之間共享。從功能上講，每個變壓器的初級端有兩個匝，每個中心抽頭的次級變壓器有一匝。將初級繞組串聯(lián)會迫使相同的電流在每個初級繞組中流動，從而迫使次級繞組共享電流。

圖1帶有矩陣變壓器的LLC轉(zhuǎn)換器，可強(qiáng)制多個FET之間共享。來源：德州儀器

圖2顯示了圖1所示兩個變壓器中的磁通路徑。第一張圖片顯示了兩個分立內(nèi)核的情況。請注意，中間相鄰支腿中的通量相等，但方向相反。如圖2的中間圖所示，將這些支路組合成一個支路，凈通量流量為0。由于磁芯的這條腿中沒有通量，因此您可以消除磁芯支，如最右邊的圖像所示。

圖2矩陣變壓器集成的磁通路徑如圖1所示。來源：德州儀器

因此，可以將圖1所示的兩個矩陣變壓器元件集成到單個變壓器磁芯中。圖3是LLC轉(zhuǎn)換器的示意圖，最終集成矩陣變壓器位于單個鐵氧體磁芯上[3]。

圖3LLC轉(zhuǎn)換器，在單個鐵氧體磁芯上集成矩陣變壓器。來源：德州儀器

有效值電流估算

轉(zhuǎn)換器中的大部分損耗來自均方根（RMS）電流，因此需要一種精確的方法來估計變壓器繞組中的RMS電流。[4]中介紹的方法通過假設(shè)轉(zhuǎn)換器在略低于諧振電路的開關(guān)頻率下工作時，磁化電流保持恒定來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。根據(jù)這一假設(shè)，可以創(chuàng)建LLC轉(zhuǎn)換器關(guān)鍵波形的分段線性近似，并且根據(jù)電流的這些分段線性定義，您可以推導(dǎo)出變壓器初級電流和變壓器次級電流的RMS電流的閉式表達(dá)式，如公式1和2所示：

變壓器繞組設(shè)計

[2]中介紹的繞組交錯策略旨在最大限度地減少與高頻相關(guān)的損耗。圖 4 顯示了印刷線路板 （PWB） 堆疊。

圖4變壓器 PWB 堆疊。來源：德州儀器

圖4中的紅色繞組包括四個PWB層。每層有兩個匝數(shù)。第二層和第五層是串聯(lián)的，第八層和第十一層也是串聯(lián)的。此外，第二層和第五層與第八層和第十一層平行。圖5顯示了實(shí)際的PWB層。紅色和橙色的銅形狀是變壓器初級。圖5還顯示了開關(guān)周期正半部分期間帶有黃線的電流流向。

圖5實(shí)際的PWB層，其中變壓器初級銅層為紅色和橙色。來源：德州儀器

圖4中的藍(lán)色層全部并聯(lián)，形成變壓器次級之一。圖4中的綠色層與藍(lán)色層相同，但用于另一個次級變壓器。圖6顯示了實(shí)際的PWB層。青色的銅形狀是變壓器次級。中央抽頭的正半部分顯示在左側(cè)，負(fù)半部分顯示在右側(cè)。圖6還顯示了開關(guān)周期正半部分期間帶有黃線的電流流向。

圖6實(shí)際的PWB層與變壓器的次級銅層呈青色，其中正極一半為中心抽頭（左）和負(fù)極一半（右）。來源：德州儀器

雖然這種繞組結(jié)構(gòu)可有效降低交流損耗，但并不能將繞組損耗降低到零。為了更好地估計這些損耗，必須首先更好地估計繞組的直流電阻。這是通過計算精確平面繞組弧與實(shí)際繞組幾何形狀的直流有限元分析（FEA）模型之間的差異來完成的。精確平面電弧的電阻公式如公式3所示：

其中σ是銅的電導(dǎo)率，是銅層厚度，r1是弧的內(nèi)半徑，r2是弧的外半徑。

圖7是圓弧的DC FEA模型與確切繞組幾何形狀之間的比較。僅使用四分之一的模型即可降低計算復(fù)雜性。R 和 R +– 是有限元分析模型結(jié)果中繞組電阻的兩個獨(dú)立計算;R加州是公式3的輸出。左圖根據(jù)公式3校準(zhǔn)有限元分析模型。右圖決定了公式3與實(shí)際幾何形狀之間的誤差。使用此誤差作為比例因子，可以調(diào)整模型，使其與實(shí)際幾何圖形更緊密地相關(guān)。

圖7有限元繞組直流電阻估計，左圖根據(jù)公式3校準(zhǔn)FEA模型，右圖確定公式3與實(shí)際幾何形狀之間的誤差。來源：德州儀器

公式4是最終的繞組損耗方程，其校準(zhǔn)和交流損耗影響來自：

其中 fs是開關(guān)頻率和μ0為 4 x π x 10 ^-7^ .

您可以使用Ansys FEA軟件從仿真的LLC轉(zhuǎn)換器波形中檢查瞬態(tài)激勵下的變壓器繞組損耗。公式4與Ansys瞬態(tài)FEA模型的匹配度在1%以內(nèi)。

測試結(jié)果
圖9顯示了硬件的實(shí)測損耗和效率。該數(shù)據(jù)是在 48V 輸入恒流負(fù)載和強(qiáng)制空氣下收集的。圖9還顯示了模塊效率，并比較了預(yù)測損耗和測量損耗。

圖9**測量原型硬件的效率、損耗和調(diào)節(jié)。來源：德州儀器

LLC 轉(zhuǎn)換器變壓器概述

該電源提示介紹了一種高效LLC轉(zhuǎn)換器的變壓器結(jié)構(gòu)和繞組損耗估計方法。這種方法與LMG2100 等高性能氮化鎵開關(guān)相結(jié)合，使數(shù)據(jù)中心電源設(shè)計人員能夠設(shè)計更小、更高效的總線轉(zhuǎn)換器。