eGaN® FET를 사용한 소형 48V ~ 12V, 900W LLC 공진형 컨버터, 98% 이상의 효율 달성
2019년 02월 12일
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채택근거
컴퓨팅 및 통신 시장의 급속한 확장으로 중간 버스 컨버터를 위한 보다 소형의 효율적이고, 높은 전력밀도의 솔루션이 요구되고 있다. 이 중 LLC 공진형 컨버터는 높은 전력밀도와 고효율을 제공하는 솔루션으로 주목받고 있다. 매우 낮은 온-저항과 기생 커패시턴스를 가지고 있는 eGaN FET는 Si MOSFET을 사용할 때 문제가 되는 손실을 크게 줄임으로써 LLC 공진형 컨버터에 이득을 준다. EPC2053 및 EPC2024와 같은 eGaN FET를 채택한 48V ~ 12V, 900W, 1MHz LLC DCX(DC to DC Transformer) 컨버터는 최대 효율이 98.4%에 이르고, 전력밀도가 1500W/in3를 초과하는 것으로 확인되었다.

고성능 LLC DCX
DCX로 동작하는 4:1 전환비율의 LLC 전력 아키텍처 개요는 그림 1에 나와 있으며, 동기식 정류기가 있는 풀-브리지 1차측 및 센터-탭(Center-Tapped) 2차측으로 구성되어 있다. 트랜스포머는 병렬로 연결된 2x 매트릭스로 구성되며, 각 유닛은 4:1:1의 전환비율을 가지고 있어 낮은 권선 손실 및 낮은 인터커넥트 인덕턴스, 낮은 프로파일을 보장한다. 모든 스위치는 ZVS(Zero Voltage Switching)로 동작할 수 있어 거의 모든 부하 전력 범위에서 높은 효율로 고주파수 동작이 가능하다. 병렬로 연결된 동기식 정류기 디바이스는 전도 손실을 추가로 줄이는데 사용된다.

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그림 1: 900W, 48V ~ 12V LLC의 전력 아키텍처 개요

LLC 컨버터를 위한 고성능 eGaN FET
eGaN FET는 동급 MOSFET에 비해 낮은 온-저항 및 매우 낮은 게이트 전력소모와 낮은 출력 커패시턴스 전하(QOSS)를 모두 제공하는 5V 게이트 동작의 낮은 게이트 전하(QG)로 인해 LLC 컨버터에 매우 적합하다. 낮은 출력 전하는 1) LLC 공진형 탱크에서 요구되는 낮은 에너지, 2) 실효 듀티 사이클 증가라는 두 가지 메커니즘을 통해 트랜스포머에서 리플 전류를 줄여준다. 그림 2에 나타낸 EPC2053 및 EPC2024는 각각 1차측 및 2차측 전원 디바이스로 선택되었다. EPC2053은 4mΩ 온-저항의 정격 100V를 지원하며, 32A의 연속 전류를 전달할 수 있다. EPC2024는 1.5mΩ 온-저항의 정격 40V를 지원하며, 90A의 연속 전류를 전달할 수 있다. 두 eGaN FET 모두 최대 150°C의 접합 온도에서 동작할 수 있다.

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그림 2: EPC2053(위) 및 EPC2024(아래)의 범프 측면 사진

실험 검증
그림 3에 나와 있는 DCX로 구성된 4:1 비율의 900W 지원 LLC는 1차측 스위치(Q1-Q4)를 위해 EPC2053을, 2차측 동기식 정류기(보드 밑면에 있는 SR5-SR8과 SR1-SR8)를 위해 EPC2024를 사용해 구현되었다. 이 보드는 2극 코어를 갖춘 14-레이어 보드 상에 2x 매트릭스 트랜스포머가 내장되어 있다.

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그림 3: EPC2053 및 EPC2024를 이용한 4:1 비율의 900W LLC DCX

풀 전력 및 48V 입력에서 측정된 스위칭 파형은 그림 4에 나와 있다. 1차측 및 2차측 디바이스에서 모두 오버슈트 및 링잉이 없음으로 완벽한 ZVS를 달성했음이 입증되었다.

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그림 4: 48V 입력 전압 및 900W 부하 조건에서의 스위칭 파형

40V, 48V, 60V 입력 전압에 대한 출력 전압의 함수로서의 효율은 그림 5에 나와 있다. 이는 LLC 컨버터가 60V 및 48V 입력에서 각각 98.4% 및 98.3%의 최대 효율을 가지고 있으며, 넓은 동작 범위에 걸쳐 높은 효율을 유지하고 있음을 보여준다.

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그림 5: 40V, 48V, 60V 입력 전압에 대한 출력 전압의 함수로서의 전력 효율

54V 입력 및 900W 부하, 그리고 400LFM 기류에서 동작하는 LLC 컨버터의 열 성능은 그림 6에 나와 있다. 모든 주요 부품의 온도가 최대 동작 한계를 훨씬 밑돌고 있어 탁월한 열 성능을 달성한 것으로 나타났다.

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그림 6: 54V 입력 및 900W 부하에서 동작하는 LLC 컨버터의 열 이미지

결론
900W를 제공할 수 있는 eGaN FET를 사용해 구현된 48V ~ 12V LLC 중간 버스 컨버터는 실험 효율이 98%를 초과했다. eGaN FET의 낮은 게이트 커패시턴스와 낮은 출력 전하, 낮은 온-저항은 1500W/in3를 초과하는 전력밀도를 달성하는데 핵심적인 역할을 했다.

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