98% 이상의 효율을 달성한 eGaN FET 기반 소형 48V ~ 6V, 900W LLC 공진형 컨버터

컴퓨팅 및 통신 시장이 빠르게 확장하면서 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 EPC2023과 같은 eGaN FET를 채택한 48V ~ 6V, 900W, 1MHz LLC DCX(DC to DC Transformer) 컨버터는 69W/cm3(1133W/in3)의 전력밀도와 48W/cm2(308W/in2)의 특정 전력으로 최대 효율이 98.1%에 이르는 것으로 나타났다.

그림 1 LLC 컨버터 전력 아키텍처 구조

고성능 LLC DCX
DCX로 동작하는 8:1 전환비율의 LLC 전력 아키텍처 구조는 그림 1에 나와 있으며, 동기식 정류기가 있는 풀-브리지 1차측 및 센터-탭(Center- Tapped) 2차측으로 구성되어 있다. 트랜스포머는 2×2 매트릭스로 구성되며, 각 유닛은 4:1:1의 전환비율을 가지고 있어 낮은 권선 손실과 트랜스포머 및 동기식 정류기 간의 낮은 인터커넥트 인덕턴스, 그리고 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.

그림 2. 범프 측면 사진

LLC 컨버터를 위한 고성능 eGaN FET
eGaN FET는 매우 낮은 게이트 전력 소모와 낮은 온-저항 및 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) ZVS를 달성하기 위해 LLC 공진형 탱크에서 요구되는 낮은 에너지, 2) 실효 듀티 사이클 증가라는 두 가지 메커니즘을 통해 LLC 컨버터에 혜택을 제공한다. 그림 2에 나타낸 EPC2053 및 EPC2023은 각각 1차측 및 2차측 전원 디바이스로 선택되었다. EPC2053은 4mΩ 온-저항의 정격 100V를 지원하며, 32A의 연속 전류를 전달할 수 있다. EPC2023은 1.45mΩ 온-저항의 정격 30V를 지원하며, 90A의 연속 전류를 전달할 수 있다. 두 eGaN FET 모두 최대 150°C의 접합 온도에서 동작할 수 있다.

그림 3. 8:1 비율의 900w LLC DCX

실험검증
그림 3에 나와 있는 DCX로 구성된 8:1 비율의 900W 지원 LLC 컨버터는 1차측 스위치(Q1-Q4)를 위해 EPC2053을, 2차측 동기식 정류기(보드 밑면에 있는 SR1-SR16과 SR9-SR16)를 위해 EPC2023을 사용해
구현되었다. 이 보드는 4극 UI 코어를 갖춘 14-레이어 보드 상에 2×2 매트릭스 트랜스포머가 내장되어 있다. 풀 전력 및 48V 입력에서 측정된 스위칭 파형은 그림 4에 나와 있다. 1차측 및 2 차측 디바이스에서 모두 오 버슈트 및 링잉이 없 음으로 완벽한 ZVS를 달성했음이 입증되었다.

40V, 48V, 60V 입력 전압에 대한 출력 전압의 함수로서의 효율은 그림 5에 나와 있다. 이는 LLC 컨버터가 60V 및 48V 입력에서 각각 98.1% 및 98%의 최대 효율을 가지고 있으며, 넓은 동작 범위에 걸쳐 높은 효율을 유지하고 있음을 보여준다. 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.

결론
900W를 제공할 수 있는 eGaN FET를 사용해 구현된 48V ~ 6V LLC 중간 버스 컨버터는 최대 실험 효율이 98%에 이르렀다. eGaN FET의 낮은 게이트 커패시턴스와 낮은 출력 전하, 낮은 온-저항은 1100W/in3를 초과하는 전력밀도를 달성하는데 핵심적인 역할을 했다.

eGaN LLC 그림 4-6

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