作者：John Glaser，高效電源轉換應用工程總監

推動電力成為人類利用的主要和最通用的能源形式的關鍵技術之一是變壓器。這種簡單的設備能夠實現電壓、電流和阻抗的有效轉換，進而使世界電氣化以及所有電氣和電子設備成為現實。由于早期的變壓器是交流設備，盡管托馬斯·愛迪生（Thomas Edison）和他盡最大努力促進交流而不是交流 [1]，但它們推動了世界向交流發電、配電和使用的方向發展。

然而，今天我們生活在一個電子世界，一個數字電子世界。這個數字電子世界是一個直流世界。這個世界是由開關模式電力電子設備實現的，它為直流世界提供與原始交流變壓器相同的好處，以及調節和控制等新的好處。然而，DC-DC 轉換器有一個特殊的化身，它非常符合其 AC 變壓器的祖先，即 DC 變壓器，通常被 DCX [2] 稱為。DCX 一詞通常指的是一種未穩壓的 DC-DC 轉換器，它以固定的轉換比轉換電壓和電流，就像交流變壓器一樣。DCX 在數據中心和計算場中的分布式直流電源系統中特別有用。

在本文中，我們以 700 W 硬開關 4:1 DCX 為例，以 48 V 標稱輸入和 12- V 輸出為 1/8磚 格式。

什么是 DCX？

DCX一般由逆變器、交流變壓器和整流器組成，如圖1所示。現代 DCX 使用半導體開關構成逆變器和整流器，并以高頻運行以最小化變壓器的尺寸。如果整流器采用有源開關（同步整流器或 SR），DCX 可以實現雙向功率流動，并且逆變器和整流器的角色可以互換 [3]。開關的控制方式使得 DCX 盡可能接近標準變壓器方程，即：

V IN = NV輸出

NI IN = I OUT

請注意，DCX 不提供調節作為正常操作的一部分。這允許對電路進行高度優化，以實現最大效率和功率密度。現代 DCX 通常被期望提供一些附加功能，其中可能包括過流檢測、電流限制、啟用/禁用電源控制以及測量和診斷功能。

圖 1：現代直流變壓器 (DCX) 的框圖。

在開發 DCX 的各種實現方面已經付出了巨大的努力。一些使用串聯諧振轉換器的變體以或非常接近諧振 [4]、[5] 運行。在以固定占空比運行逆變器和整流器時，這具有軟開關和固有的類似變壓器的作用，但 RMS 電流高于 PWM 轉換器，實現電流限制是一個挑戰。另一種有前途的方法是雙主動橋（DAB）[6]，[7]。這種方法可以利用軟開關，并且仍然具有低 RMS 電流。然而，DAB 本身并不遵循變壓器方程，因此始終需要主動控制。

最簡單的 DCX 采用標準硬開關拓撲實現，如圖2 所示。該轉換器作為降壓轉換器運行，運行在或非常接近最大可能有效占空比 D = 1，相當于圖 2 中的所有開關以 50% 運行。這最大限度地提高了變壓器利用率，并允許使用非常小的電感值，因為施加到電感器的伏秒低。事實上，電感器對于理想的 DCX 操作并不是絕對必要的，但一個小電感器可以在必要時限制電流，并用于過濾開關尖峰和相關的振鈴。

圖 2：基于降壓轉換器的隔離式硬開關 DCX。

它在哪里使用？

DCX 轉換器的典型應用是作為分布式電源系統的一部分，如圖3 所示。這樣的系統只需要在負載處進行嚴格的電壓調節，但仍然需要分布式電源系統的其他好處，例如高效率、提高安全性和降低電源總線成本。由于公用電力的歷史和交流變壓器的廣泛使用[8]，此類系統的好處眾所周知。

圖 3：DCX 在分布式直流電力系統中的典型應用。

eGaN DCX

eGaN FET 的卓越 FOM 已得到充分證明 [9]，eGaN FET 提供的效率增益已經表明，硬開關 PWM 磚型轉換器的功率密度可以提高近 70% [10]、[11] . 看看使用 eGaN FET 的 DCX 轉換器可以實現什么樣的性能是有意義的。

方法

為了評估 eGaN FET 在 DCX 轉換器中的性能優勢，決定采用最簡單的方法，即使用標準硬開關轉換器（圖 2）。由于 EPC 已經設計了一個 8 磚演示板，EPC9115 500 W 50 V 至 12 V 標稱、完全穩壓的總線轉換器（圖 4)，以此作為基線設計開始是有意義的 [12]。為了作為 DCX 運行，只進行了一些簡單的更改。首先，電感器從 470 nH、0.9 mΩ 模壓粉芯電感器更改為 180 nH、0.3 mΩ 間隙鐵氧體電感器。請注意，作為 DCX 運行實際上將允許使用更小值的電感器，但沒有商業上具有更低 DCR 的更小值電感器大到足以連接到 PCB 上的焊盤。其次，軟件中的最大占空比鉗位從 0.98 更改為 0.985，以允許給定輸入的輸出略高。最后，死區時間從 25 ns 減少到 15 ns。

圖 4：用作 DCX 基礎的 EPC9115 八塊磚演示板。

結果

修改后的 EPC9115 轉換器在三個輸入電壓（48 V、50 V、52 V）下在最大負載電流為 62 A 的負載電流范圍內進行了測試。圖 5顯示了 eGaN DCX 在 25C 時的效率結果（非熱穩定狀態）。一條非常平坦的效率曲線在所有輸入電壓的寬電流范圍內達到 97%，并且 62 A 的輸出功率對于 48 V 輸入為 710 W，對于 52 V 輸入為 771 W。62 A 負載時的最壞情況效率仍為 96.6%。

圖 5：3 個 V IN值 （48 V、50 V、52 V）下的 eGaN DCX 效率和輸出電壓。請注意，最大輸出電流為 62 A，對應于 V IN = 48 V 時的 710 W 和 V IN = 52 V 時的 771 W。

圖 5 的結果可用于與其他轉換器進行基線比較，但并不代表實際的操作條件。圖 6顯示了轉換器在熱穩定狀態下的熱圖像，在 24°C 下，400 LFM 氣流，V IN = 48 V，I OUT = 58.4 A，輸出功率為 667 W。在這種情況下，最高溫度為108°C 在變壓器鐵芯上。次級側 eGaN FET 在 106°C 下運行，初級側 eGaN FET 在相對涼爽的 84°C 下運行。

圖 6：eGaN DCX 的熱圖像，V IN = 48 V。I OUT = 58.4 A 和 P OUT = 667 W，在 24°C 下以 400 LFM (2 m/s) 氣流在熱穩定狀態下運行。

下一步是什么？

硬開關轉換器中的 eGaN FET 經驗證的效率和功率密度遠遠超過了類似轉換器中的硅 MOSFET。雖然通過在軟開關轉換器中使用硅 MOSFET 可能實現類似的性能，但這種設計具有挑戰性，并且如前所述具有許多限制。此外，由于卓越的品質因數，eGaN FET 很可能會從這種方法中受益。

請注意，所有測試都是在沒有散熱器的情況下完成的。 大多數大功率硅基磚轉換器采用集成散熱器。已經表明，eGaN FET 的頂部散熱能力可以允許高達 30% 的電流，因此可以做出很大的改進 [13]。

最后，基于對完全穩壓 EPC9115 八磚轉換器的修改來評估 DCX 性能。但是，預先將轉換器設計為 DCX 可以進行許多進一步的優化，例如控制簡化、變壓器改進以及使用更小的電感器來縮短大電流輸出路徑。在 60 A 時，1 m? 電阻器的功耗為 3.6 W。對于 700 W DCX，每毫歐的損耗增加 10-15%。在這些高輸出電流下，一個關鍵挑戰是如何從如此小的轉換器中獲取電流。

結論

eGaN FET 的卓越性能使工程能夠將傳統硬開關 DCX 性能的極限推向遠超硅 MOSFET 的極限。

審核編輯 黃昊宇

?