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

電感-電感-電容（LLC）轉換器是公認的總線轉換器首選拓撲，因為它能夠在高開關頻率下在寬負載范圍內保持零電壓開關。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 轉換器中使用的變壓器。

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

表1LLC 儲罐參數，用于在 1 MHz 下運行的設計。

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場效應晶體管（FET）。圖1所示的矩陣變壓器結構將強制多個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轉換器，可強制多個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轉換器在略低于諧振電路的開關頻率下工作時，磁化電流保持恒定來實現這一點。根據這一假設，可以創建LLC轉換器關鍵波形的分段線性近似，并且根據電流的這些分段線性定義，您可以推導出變壓器初級電流和變壓器次級電流的RMS電流的閉式表達式，如公式1和2所示：

變壓器繞組設計

[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。第二層和第五層是串聯的，第八層和第十一層也是串聯的。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中的藍色層全部并聯，形成變壓器次級之一。圖4中的綠色層與藍色層相同，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，負半部分顯示在右側。圖6還顯示了開關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）和負極一半（右）。來源：德州儀器

雖然這種繞組結構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是銅的電導率，是銅層厚度，r1是弧的內半徑，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雜性。R 和 R +– 是有限元分析模型結果中繞組電阻的兩個獨立計算;R加州是公式3的輸出。左圖根據公式3校準有限元分析模型。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，可以調整模型，使其與實際幾何圖形更緊密地相關。

圖7有限元繞組直流電阻估計，左圖根據公式3校準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，其校準和交流損耗影響來自：

其中 fs是開關頻率和μ0為 4 x π x 10 ^-7^ .

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

測試結果
圖9顯示了硬件的實測損耗和效率。該數據是在 48V 輸入恒流負載和強制空氣下收集的。圖9還顯示了模塊效率，并比較了預測損耗和測量損耗。

圖9**測量原型硬件的效率、損耗和調節。來源：德州儀器

LLC 轉換器變壓器概述

該電源提示介紹了一種高效LLC轉換器的變壓器結構和繞組損耗估計方法。這種方法與LMG2100 等高性能氮化鎵開關相結合，使數據中心電源設計人員能夠設計更小、更高效的總線轉換器。