隨著云計算和人工智能的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心對電源的需求不斷增加，對其功率密度和效率也提出了更高要求。在數(shù)據(jù)中心中，Common Redundant Power Supply (CRPS) 是常用標準，典型拓撲為Boost PFC后接LLC諧振轉(zhuǎn)換器，前者將交流電轉(zhuǎn)換為380V直流電，后者將其轉(zhuǎn)換為12V輸出。80Plus制定了電源效率認證標準，其中鈦金標準要求50%負載時效率超96%，20%負載時超94% 。
論文下載：*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的應(yīng)用 ：氮化鎵（GaN）晶體管相比傳統(tǒng)硅晶體管，具有更大帶隙、更高電子遷移率和速度。Navitas的集成GaN HEMT IC，集成了GaN HEMT和定制驅(qū)動器，可實現(xiàn) “數(shù)字輸入，功率輸出”，僅需數(shù)字高低信號就能可靠驅(qū)動內(nèi)部GaN HEMT，且柵極電壓純凈，減少了寄生效應(yīng)，能實現(xiàn)更快開關(guān)速度、更高效率和更大功率密度。
2. 矩陣變壓器設(shè)計
   • 輸出組數(shù)確定 ：由于CRPS應(yīng)用中LLC變壓器輸出電流高，需多組輸出降低傳導(dǎo)損耗。通過計算同步整流器（SR）的驅(qū)動損耗、傳導(dǎo)損耗和體二極管傳導(dǎo)損耗，綜合考慮平衡損耗、系統(tǒng)成本和空間限制，確定六組輸出為最優(yōu)，優(yōu)化后減少為三組。
   • 矩陣變壓器優(yōu)勢 ：傳統(tǒng)并聯(lián)繞組和SR會導(dǎo)致終端損耗，采用多個變壓器并聯(lián)可簡化終端，減少交流相關(guān)傳導(dǎo)損耗和漏磁通，但會增加磁芯損耗和尺寸。矩陣變壓器通過磁芯間磁通抵消，減少了磁芯體積和損耗。對于CRPS中的LLC應(yīng)用，選擇初級串聯(lián)、次級并聯(lián)的方式，計算出合適匝數(shù)比為15（每個變壓器匝數(shù)比為5）。
   • PCB繞組設(shè)計 ：采用10層PCB并實施交錯結(jié)構(gòu)，以減少因趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)導(dǎo)致的高交流繞組損耗。初級繞組在4層PCB上共5匝且串聯(lián)，次級繞組在6層PCB上且并聯(lián)，以處理大電流。通過3D FEA模擬，驗證了該設(shè)計能有效抑制磁動勢（MMF），提高繞組傳導(dǎo)效率。
3. 實驗驗證 ：基于設(shè)計的矩陣變壓器搭建了實驗原型，測試其工作波形，在輸出功率為1.25kW時進行了初步效率測試（包含諧振電感和輔助電源損耗）。該1.5kW LLC諧振轉(zhuǎn)換器模塊尺寸為90mm x 30.5mm x 11mm ，適配標準1U CRPS，開關(guān)頻率超600kHz，效率超97.5%。搭配98.5%的圖騰柱PFC后，系統(tǒng)在50%負載時峰值效率超96%，滿足80Plus鈦金標準。

關(guān)鍵問題

1. Navitas GaN IC與傳統(tǒng)硅基器件相比，在提升電源性能方面有哪些關(guān)鍵優(yōu)勢？
   • Navitas GaN IC集成了GaN HEMT和定制驅(qū)動器，可實現(xiàn)精準的柵極電壓控制，開關(guān)速度更快。相比傳統(tǒng)硅基器件，GaN具有更大帶隙、更高電子遷移率和速度，能將開關(guān)頻率提高到硅基器件的五倍以上，且在高頻下仍能保持較高效率，有助于提升電源的功率密度。
2. 在矩陣變壓器設(shè)計中，確定輸出組數(shù)的依據(jù)是什么？
   • 確定輸出組數(shù)主要依據(jù)是平衡同步整流器（SR）的驅(qū)動損耗、傳導(dǎo)損耗和系統(tǒng)成本，同時要考慮電路板的空間限制。通過計算不同輸出組數(shù)下SR的各類損耗，綜合權(quán)衡后確定六組輸出為最優(yōu)，之后經(jīng)過優(yōu)化減少為三組，以在滿足功率輸出要求的同時，降低損耗并合理利用空間。
3. 采用PCB基矩陣變壓器會面臨什么挑戰(zhàn)，如何解決？
   • 采用PCB基矩陣變壓器面臨的主要挑戰(zhàn)是由于趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)導(dǎo)致的高交流繞組損耗。解決方法是采用10層PCB并實施交錯結(jié)構(gòu)，通過合理安排繞組，使初級繞組在4層PCB上串聯(lián)，次級繞組在6層PCB上并聯(lián)，有效抑制磁動勢（MMF），從而降低交流繞組損耗，提高繞組傳導(dǎo)效率 。

審核編輯 黃宇