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)?，因為它能夠在高開關(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。