48 伏配電在數(shù)據(jù)中心和通信應(yīng)用中很流行，有許多解決方案可將電壓從 48 V 降壓到中間電壓軌。簡單的方法是降壓拓撲，它可以提供高性能，但功率密度往往不足。使用耦合電感器升級多相降壓可以顯著提高功率密度，與的替代方案相匹配，同時保持巨大的性能優(yōu)勢。

多相耦合電感器在繞組之間具有反向耦合，從而能夠消除每相電流中的電流紋波。這種好處可以換取效率，或者例如尺寸減小和功率密度提高。

48 V 配電軌通常會降壓至某個中間電壓，通常為 12 V 或更低。然后，不同的本地負載點調(diào)節(jié)器直接向不同的負載提供不同的電壓。對于 48 V 至 12 V 降壓穩(wěn)壓器，首先要考慮的選擇之一是多相降壓轉(zhuǎn)換器（圖 1）。該解決方案具有穩(wěn)定的 V O和快速瞬態(tài)，簡單且廉價。對于幾百瓦到 >1 kW 的功率范圍，可以考慮四個并聯(lián)相。然而，由于高效率通常是優(yōu)先考慮的因素，因此與 12 V 甚至 5 V 輸入的較低電壓應(yīng)用相比，48 V 轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率通常相對較低，以降低開關(guān)損耗。這會對磁性造成兩倍的伏特×秒傷害，因為已經(jīng)很明顯的電壓也會施加相對較長的時間。因此，48 V 的磁性元件通常體積較大，與較低電壓應(yīng)用相比，多匝繞組能夠承受顯著增加的伏特×秒數(shù)。 48 V 降壓轉(zhuǎn)換器仍然可以實現(xiàn)高效率，但通常具有很大的整體尺寸，其中電感器占據(jù)了大部分體積。

基本 48 V 至 12 V ~1 kW 降壓轉(zhuǎn)換器具有四相，具有 6.8 μH 分立電感器和 200 kHz 開關(guān)頻率。這四個電感器是和的組件，占解決方案體積的大部分。

圖 1. 具有分立電感器的四相降壓轉(zhuǎn)換器。

傳統(tǒng)降壓電路各相的電流紋波如公式 1 所示，其中占空比為 D = V O /V IN，V O為輸出電壓，V IN為輸入電壓，L 為電感值， Fs 是開關(guān)頻率。dILDL=VIN?VOL×DFS(1)將分立電感器 (DL) 替換為具有漏感 L k和互感 L m 的耦合電感器1–7，CL（耦合電感器）中的電流紋波可如公式 2 所示。6 FOM 表示為公式3，其中N ph是耦合相數(shù)，ρ 是耦合系數(shù)（公式4），j 是運行指數(shù)，它只是定義了占空比的適用區(qū)間（等式 5）。

 

dILDL=VIN?VOL×DFS×1FOM(D,Nph,ρ,k)(2)

FOM=(1+ρρ+1×1Nph?1)1[(Nph?2×j?2)+j×(j+1)Nph×D?Nph×D×(Nph?2\次j?1)+j×(j+1)Nph×(1?D)]×ρρ+1Nph?1(3)ρ=LmLk(4)

j=下限(D×Nph)(5)

 

耦合電感器注意事項

改進的步是針對幾個實際合理的耦合系數(shù) L m /L k值繪制 N ph = 4 的 FOM （圖 2）。紅色曲線 L m /L k = 0 表示分立電感器的 FOM = 1 基線。結(jié)果表明，具有非常低泄漏的切口 CL (NCL) 結(jié)構(gòu)通?？梢詫崿F(xiàn)非常高的 L m /L k，因此可以獲得高的 FOM 值。8,9然而，雖然目標占空比理想地位于個檔位 D = 12 V/48 V=0.25，但有必要考慮 V IN和 V O的某個范圍。有時，標稱 V IN可以是 48 V 或 54 V 加上一些容差，V O可以調(diào)整為遠離 12 V 等。如果占空比在某個范圍內(nèi) D = 0.25 左右變化，則為了保持電流紋波，a選擇具有顯著泄漏的典型 CL 設(shè)計而不是 NCL，但仍具有顯著的 FOM 值。假設(shè) L m /L k > 4，與 DL 基線相比，圖 2 中的 FOM 可以考慮約 6× 的好處，以降低 CL 中的電感值。減少能量存儲會直接影響所需的磁性元件的體積。因此，將 DL = 6.8 μH 值降低至 CL = 1.1 μH 應(yīng)有利于尺寸減小。

繪制了相應(yīng)的電流紋波，比較了V IN = 48 V 和 F s = 200 kHz 條件下的基線設(shè)計 DL = 6.8 μH 與建議的 4 相 CL = 4 × 1.1 μH (L m = 4.9 μH)。在感興趣的區(qū)域中，CL 的電流紋波與 DL 的電流紋波相似或更小。這意味著所有電路波形的均方根相似，傳導(dǎo)損耗也相似。相同 F s下的相同紋波還意味著相同的開關(guān)損耗、柵極驅(qū)動損耗等，這意味著兩種解決方案之間的效率應(yīng)該非常相似（假設(shè) DL 和 CL 電感器損耗的貢獻相似，因為的影響因素是不同之處）。

圖 3. DL = 6.8H 和 CL = 4 × 1.1H（V IN = 48 V 且 F s = 200 kHz）時的電流紋波與 V O的函數(shù)關(guān)系。感興趣的區(qū)域被突出顯示。

5 每個 DL 的尺寸為 28 mm × 28 mm × 16 mm，假設(shè)它們間隔 0.5 mm：4 相 CL 為 56.5 mm × 18 mm × 12.6 mm 尺寸實現(xiàn)磁性元件體積減小 4 倍。

顯示了完整的 1.2 kW 48 V 至 12 V 穩(wěn)壓解決方案。CL 尺寸和占地面積經(jīng)過專門設(shè)計，可將兩個 CL 部件安裝在行業(yè)標準四分之一磚尺寸內(nèi)。將所有 ~1 mm 組件（FET、控制器 IC、陶瓷電容器等）放置在 PCB 的底部，可實現(xiàn) 1.2 kW 解決方案的 1/8 磚尺寸。

性能增益

當 DL = 6.8 μH 電感器更改為 CL = 4 × 1.1 μH 時，電感器中的電流轉(zhuǎn)換速率限制也提高了 6 倍，這始終有助于瞬態(tài)改善。除此之外，盡管總磁性元件體積減少了 4 倍，但在 100°C 時，電感器飽和額定值提高了約 2 倍。

建議的 V IN = 48 V 解決方案（輸出 V O = 12 V）的瞬態(tài)性能。正如預(yù)期的那樣，反饋將輸出電壓調(diào)節(jié)至負載電流變化的預(yù)設(shè)值，從而補償負載電流的任何變化。輸入電壓。

也許重要的性能參數(shù)（實現(xiàn)的效率）如圖 7 所示。它與的行業(yè)解決方案進行了比較：具有矩陣變壓器和 GaN 的 48 V 至 12 V（固定 4:1 降壓）LLC初級側(cè)和次級側(cè)都有 FET。比較所實現(xiàn)的 97.6% 滿載效率和 96.3% 的基準效率。這意味著全功率下的損耗減少了 16.6 W，達到了所提出解決方案的 1.6 倍改進。當效率已經(jīng)很高時，這種損耗降低通常很難實現(xiàn)。

規(guī)模和效率之間的權(quán)衡當然是可能的。圖 8 比較了 CL = 4 × 1.1 μH（與 DL 相比，磁性元件尺寸減小了 4 倍）和更大的 CL = 4 × 3 μH 的效率，而電感器體積僅減小了 2 倍。物理尺寸較大的 CL = 4 × 3 μH 具有較高的泄漏 L k = 3 μH 值和較大的互感 L m = 10 μH。這使得 Fs 可以舒適地降低至 110 kHz，從而在整個負載范圍內(nèi)顯著提高效率。

利用耦合電感器的優(yōu)勢，48 V 至 12 V 解決方案將總磁性元件尺寸比基礎(chǔ)分立電感器減小了 4 倍，在行業(yè)標準 1/8 磚形外形中實現(xiàn)了 1.2 kW。磁性元件尺寸減小了 4 倍，同時保持了出色的效率性能，將瞬態(tài)電感器電流轉(zhuǎn)換率提高了 6 倍，并將電感器 Isat 額定值提高了 2 倍。

與相同外形尺寸的業(yè)界的 48 V 至 12 V 解決方案相比，在全功率下可實現(xiàn)約 1.6 倍的損耗降低。如果可以接受較小的磁性尺寸減小，效率將會進一步提高。

同時，所提出的解決方案經(jīng)過完全監(jiān)管并直接放置在客戶的主板上。它還利用標準硅 FET 進一步優(yōu)化成本。與不受監(jiān)管的 4:1 LLC 相比，所有 GaNFET 均作為單獨的模塊制造，并配有多層專用 PCB、敏感布局和嵌入式矩陣變壓器。