隨著云計算和人工智能的快速發展，數據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。在數據中心中，Common Redundant Power Supply (CRPS) 是常用標準，典型拓撲為Boost PFC后接LLC諧振轉換器，前者將交流電轉換為380V直流電，后者將其轉換為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的應用 ：氮化鎵（GaN）晶體管相比傳統硅晶體管，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和定制驅動器，可實現 “數字輸入，功率輸出”，僅需數字高低信號就能可靠驅動內部GaN HEMT，且柵極電壓純凈，減少了寄生效應，能實現更快開關速度、更高效率和更大功率密度。
2. 矩陣變壓器設計
   • 輸出組數確定 ：由于CRPS應用中LLC變壓器輸出電流高，需多組輸出降低傳導損耗。通過計算同步整流器（SR）的驅動損耗、傳導損耗和體二極管傳導損耗，綜合考慮平衡損耗、系統成本和空間限制，確定六組輸出為最優，優化后減少為三組。
   • 矩陣變壓器優勢 ：傳統并聯繞組和SR會導致終端損耗，采用多個變壓器并聯可簡化終端，減少交流相關傳導損耗和漏磁通，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應用，選擇初級串聯、次級并聯的方式，計算出合適匝數比為15（每個變壓器匝數比為5）。
   • PCB繞組設計 ：采用10層PCB并實施交錯結構，以減少因趨膚效應和鄰近效應導致的高交流繞組損耗。初級繞組在4層PCB上共5匝且串聯，次級繞組在6層PCB上且并聯，以處理大電流。通過3D FEA模擬，驗證了該設計能有效抑制磁動勢（MMF），提高繞組傳導效率。
3. 實驗驗證 ：基于設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諧振轉換器模塊尺寸為90mm x 30.5mm x 11mm ，適配標準1U CRPS，開關頻率超600kHz，效率超97.5%。搭配98.5%的圖騰柱PFC后，系統在50%負載時峰值效率超96%，滿足80Plus鈦金標準。

關鍵問題

1. Navitas GaN IC與傳統硅基器件相比，在提升電源性能方面有哪些關鍵優勢？
   • Navitas GaN IC集成了GaN HEMT和定制驅動器，可實現精準的柵極電壓控制，開關速度更快。相比傳統硅基器件，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. 在矩陣變壓器設計中，確定輸出組數的依據是什么？
   • 確定輸出組數主要依據是平衡同步整流器（SR）的驅動損耗、傳導損耗和系統成本，同時要考慮電路板的空間限制。通過計算不同輸出組數下SR的各類損耗，綜合權衡后確定六組輸出為最優，之后經過優化減少為三組，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，如何解決？
   • 采用PCB基矩陣變壓器面臨的主要挑戰是由于趨膚效應和鄰近效應導致的高交流繞組損耗。解決方法是采用10層PCB并實施交錯結構，通過合理安排繞組，使初級繞組在4層PCB上串聯，次級繞組在6層PCB上并聯，有效抑制磁動勢（MMF），從而降低交流繞組損耗，提高繞組傳導效率 。

審核編輯 黃宇