當(dāng)前電子應(yīng)用的趨勢(shì)，尤其是那些基于大功率設(shè)備的應(yīng)用，是實(shí)現(xiàn)越來(lái)越小的尺寸和越來(lái)越高的組件密度。由于引入了超結(jié)器件和寬帶隙材料(如氮化鎵)，迅速實(shí)現(xiàn)了更高的開(kāi)關(guān)頻率，從而減小了無(wú)源器件的體積。

除平面電感器外，情況都是如此。由于它的損耗與它的體積成反比，它在高密度電源中的體積越來(lái)越大，浪費(fèi)了PCB上寶貴的面積。通過(guò)采用3D多PCB結(jié)構(gòu)，電源的體積可以減小，直到達(dá)到平面磁芯的尺寸。多PCB布局還可以改善散熱并降低寄生電感。

本文將重點(diǎn)介紹一種專為四開(kāi)關(guān)降壓升壓 (FSBB) 轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的多 PCB 結(jié)構(gòu)，其中電源和控制 PCB 均位于平面電感器表面，形成 3D 結(jié)構(gòu)。這種布局減小了整體體積，提高了功率密度，優(yōu)化了電源環(huán)路，從而減少了雜散電感和電壓過(guò)沖。

傳統(tǒng)的FSBB布局

由于其簡(jiǎn)單性以及升壓和降壓的出色性能，F(xiàn)SBB 轉(zhuǎn)換器被廣泛用于電池充電應(yīng)用。電路圖 由降壓級(jí)、升壓級(jí)和共享電感器組成。

通過(guò)采用四邊形控制方法，可以實(shí)現(xiàn)所有功率開(kāi)關(guān)的 ZVS 條件，允許開(kāi)關(guān)頻率高達(dá) 1 MHz。如圖 2所示 ，電感電流被整形為四邊形，其中四個(gè)角電流用于實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān) (ZVS)(分別為 S2、S4、S1 和 S3)。這些波形是通過(guò)調(diào)節(jié)降壓級(jí)和升壓級(jí)之間的相移獲得的。ZVS 技術(shù)允許轉(zhuǎn)換器激活“軟開(kāi)關(guān)”控制，消除傳統(tǒng) PWM 和同步期間通常產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)損耗。

FSBB 轉(zhuǎn)換器的傳統(tǒng)單 PCB 布局 。它包括四個(gè) GaN 功率晶體管、兩個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器、一個(gè)平面電感、一個(gè)輔助電源和一個(gè) MCU，所有這些都分布在同一平面上。

多PCB FSBB布局

為了優(yōu)化面積占用，組件可以排列在不同的 PCB 中，通過(guò)柔性印刷電路連接。

傳統(tǒng)平面布局的 3D 視圖與建議的多 PCB 布局之間的比較 如圖 5所示。第二種解決方案大大減小了整體尺寸，將功率密度從 90 W/in 提高了 3.8 倍。3 至 432 瓦/英寸。3 . 功率器件放置在最外側(cè)以改善散熱，同時(shí)在控制板和平面電感之間插入絕緣屏蔽層，以防止漏磁通干擾邏輯控制器(MCU)。電源板和控制板之間的接地連接由銅箔制成或直接將兩部分焊接在一起。

采用多 PCB 設(shè)計(jì)的另一個(gè)好處是電源回路的總長(zhǎng)度顯著減少，從 249 毫米減少到 82 毫米。此外，采用新穎的解決方案，輸入和輸出端子更靠近電源開(kāi)關(guān)。更短的功率回路意味著寄生電感的減少，從而減少了高頻開(kāi)關(guān)引起的電壓過(guò)沖。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)并評(píng)估相關(guān)的電氣性能，已經(jīng)建立了所提出的 3D 多 PCB FSBB 轉(zhuǎn)換器的原型。轉(zhuǎn)換器原型 具有極其緊湊的占位面積 (26.7 × 25.0 × 15.9 mm)，功率密度達(dá)到 432 W/in。3、并提供以下技術(shù)規(guī)格：

· 輸入電壓 (V IN ) 約為 36 V 至 72 V

· 輸出電壓 (VO ) = 48 V

· 最大輸出電流 (I O ) = 6 A

· 開(kāi)關(guān)頻率 (f S ) = 1 MHz

準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)測(cè)試的執(zhí)行使得獲得不同輸入電壓值和不同負(fù)載條件下的效率曲線趨勢(shì)成為可能。如圖所示，在 48V 輸入 3A 負(fù)載下測(cè)得的峰值效率為 98.1%，而在標(biāo)稱輸入電壓下的滿載效率為 97.0%。

顯示了平面單 PCB 解決方案與建議的 3D 多 PCB 解決方案的電壓過(guò)沖比較 。如紅色虛線區(qū)域所示，所提出的解決方案可以將電壓過(guò)沖的最大值從 37.5 V 降低到 4.2 V。由于其更短的電源回路和降低的電壓過(guò)沖，所提出的多 PCB 解決方案更適合高-頻率切換。

結(jié)論

本文提出了一種用于高功率密度 FSBB 轉(zhuǎn)換器的新型 3D 多 PCB 結(jié)構(gòu)。相對(duì)于傳統(tǒng)的平面單PCB方案，F(xiàn)SBB轉(zhuǎn)換器的兩個(gè)半橋放置在兩塊PCB上，左右對(duì)稱排列在平面電感的左右兩側(cè)。帶 MCU 的控制板改為放置在平面電感的底層。功率級(jí)和控制級(jí) PCB 都纏繞在平面電感器周圍，形成類似于長(zhǎng)方體形式的 3D 結(jié)構(gòu)。

3D結(jié)構(gòu)不僅大大減小了整個(gè)系統(tǒng)的體積，消除了浪費(fèi)的面積，而且還大大提高了功率密度。采用 3D 結(jié)構(gòu)帶來(lái)的其他好處是更短的電源回路和更小的寄生電感，這反過(guò)來(lái)又會(huì)導(dǎo)致高頻開(kāi)關(guān)期間的電壓過(guò)沖更小。使用 1MHz 280W FSBB 原型獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該設(shè)計(jì)的有效性，在 48V 輸入 3A 負(fù)載和功率密度增加時(shí)達(dá)到了 98.1% 的峰值效率(相對(duì)于傳統(tǒng)單 PCB 設(shè)計(jì))從 90 W/in. 3 至 432 瓦/英寸。