Stromversorgungen (PSUs) der nächsten Generation mit hoher Packungsdichte für Rechenzentren, KI-Server und Industrieelektronik erfordern einen extrem hohen Wirkungsgrad (>98,51 TP3T) und eine hohe Leistungsdichte (>90 W/Zoll³). Da die Schaltfrequenzen immer weiter in den 200 kHz – 500 kHz Im Vergleich dazu weisen herkömmliche Wickeltransformatoren hohe Verluste durch den Proximity-Effekt, übermäßige Schwankungen der Streuinduktivität und thermische Engpässe auf.

Dieser Anwendungshinweis stellt eine umfassende Entwurfsmethodik für ein Integrierter LLC-Resonanztransformator mit hoher Leistungsdichte (2 kW) unter Verwendung der DMEGC DMR59 Mn-Zn-Ferritkern in einem PQI35/28 (PQI35/11,4-Baugruppe) Geometrie. Durch den Einsatz einer verschachtelten mehrschichtigen FR4-Planar-Leiterplatten-Wicklungsstrategie, einer optimierten Integration der Resonanzinduktivität und der Auswahl verlustarmer Ferrite erreicht der Transformator einen Spitzenwirkungsgrad in der DC-DC-Stufe von über 98.8% bei einem maximalen Temperaturanstieg von unter 50 °C.

1. Materialauswahl: DMEGC DMR59 – Wesentliche Eigenschaften

Die Auswahl des richtigen Ferritmaterials ist entscheidend für die Minimierung der Kernverluste (Pv) bei Schaltfrequenzen über 200 kHz. DMEGC DMR59 ist ein hochfrequenter, extrem verlustarmer Mangan-Zink (Mn-Zn)-Leistungsferrit, der speziell für LLC- und phasenverschobene Wandler mit hoher Packdichte entwickelt wurde.

Vergleich der wichtigsten Leistungsdaten

• Minimaler Kernverlust (Pv): Der DMR59 zeichnet sich durch einen negativen Temperaturkoeffizienten der Verlustleistung bis zu 100 °C aus und erreicht seine absolut niedrigste Verlustdichte im Bereich von 80 °C bis 100 °C – was dem typischen thermischen Betriebsbereich moderner Server-Netzteile unter Volllast entspricht.
• Hochfrequenzleistung: Im Vergleich zu herkömmlichen Materialien wie DMR44 oder N97 weist DMR59 bei Bm = 50 mT und f = 300 kHz–500 kHz deutlich geringere Volumenverluste auf.
• Hohe Sättigungsflussdichte (Bs): Übersteigt 510 mT bei 25 °C und 410 mT bei 100 °C und bietet damit robuste Sättigungsreserven beim Hochlauf, bei transienten Lastsprüngen und bei Hold-up-Ereignissen.

2. Geometrie eines integrierten LLC-Resonanztransformators und planare mechanische Konstruktion

Die PQI35/28 Das Kernset (bestehend aus PQ35 und planaren PQI-Kernhälften) bietet ein optimiertes Verhältnis zwischen magnetischer Querschnittsfläche (Ae) und Gesamthöhe und fügt sich nahtlos in den Standard ein Grenzwerte für 1U-Gehäuse (40 mm Außenhöhe).

Wichtige strukturelle Innovationen

1. Interleaved-Mehrschicht-Planar-Leiterplattenwicklungen: Durch die Verwendung eines Wicklungsverhältnisses von 8:2 zwischen Primär- und Sekundärwindungen über 6 bis 8 Leiterplattenlagen mit vollständiger Verschachtelung (P-S-P-S) werden die durch den Skineffekt und Wirbelströme verursachten Wechselstrom-Kupferverluste (I²RAC) drastisch reduziert.
2. Kontrollierte Zwischenlagenkapazität: Zwischen den Wicklungsschichten der Leiterplatte werden FR4-Ringabstandshalter und Kapton-Isolierfolien (20 µm – 50 µm) eingesetzt, um einen präzisen Luftspaltabstand zu gewährleisten, wodurch die parasitäre Gleichtaktkapazität (Ccm) zwischen den Wicklungen minimiert und EMI-Störungen reduziert werden.
3. Integration mit synchroner Gleichrichtung (SR): Die planaren Kupferflächen des Sekundärausgangs sind direkt mit den sekundärseitigen Leistungs-MOSFETs (z. B. 80-V-OptiMOS-/GaN-Bauelemente) verbunden, wodurch der Anschlusswiderstand und die parasitäre Anschlussinduktivität minimiert werden.

3. Elektrische und konstruktive Spezifikationen

Nachfolgend finden Sie eine Übersicht über die elektrischen Parameter des 2-kW-Transformators PQI35/28, der für eine LLC-Halbbrücken-DC/DC-Stufe ausgelegt ist:

4. Leistungsüberprüfung und thermischer Durchbruch

4.1 Wirkungsgradkurve der Stufe

Beim Einsatz in einem 400-V-zu-48-V-LLC-Wandler mit Primärschaltern aus Galliumnitrid (CoolGaN™) und synchronen OptiMOS™-Gleichrichtern mit niedrigem RDSon:

• Höchste Effizienz: 98.85% bei einer Last von 50% (1000 W).
• Wirkungsgrad bei Volllast: 98.42% bei einer Last von 100% (2000 W).

4.2 Temperaturprofil bei 1U-Zwangsbelüftung

• Umgebungstemperatur (Tamb): 25 °C (simulierte maximale Betriebsumgebungstemperatur von 45 °C).
• Core-Hotspot (DMEGC DMR59): ~68 °C bei einer Dauer-Vollast von 2000 W.
• Hotspot bei der Leiterplattenwicklung: ~73 °C am Sekundäranschluss des SR-Ausgangs.
• Wärmereserve: >25 °C Spielraum unterhalb der thermischen Höchstgrenze von 100 °C, wodurch eine unkontrollierte Erwärmung des Kerns verhindert wird.

5. Empfehlungen zum Wärmemanagement und zur Anordnung

So können Sie diese Benchmark-Ergebnisse bei Ihrem individuellen Leiterplattenentwurf reproduzieren:

1. Direkte thermische Durchkontaktierungen: Bringen Sie dichte Anordnungen von thermischen Mikro-Vias (Durchmesser 0,3 mm, Abstand 0,8 mm) unterhalb der Grundfläche des planaren Transformators an, um die Wärme direkt an den unteren Aluminiumkühlkörper oder das Gehäuse abzuleiten.
2. Luftströmungsführung: Stellen Sie sicher, dass die vom Gehäuselüfter erzeugte Zwangsluft über die Seiten des PQI35-Magnetkerns und die sekundären MOSFETs für die synchrone Gleichrichtung geleitet wird.
3. Symmetrische Strompfade: Achten Sie bei parallelen Sekundärwicklungen auf gleich lange Strompfade, um eine lokale Stromüberlastung und thermische Ungleichgewichte zu vermeiden.

6. Fazit und maßgeschneiderte Lösungen für Planartransformatoren

Die PQI35/28 – Entwurf eines integrierten 2-kW-LLC-Resonanztransformators unter Verwendung der DMEGC DMR59 Ferritkern bietet eine industrietaugliche Lösung für extrem kompakte und hocheffiziente Stromrichter. Dank seiner geringen Kernverluste bei erhöhten Temperaturen in Verbindung mit den niedrigen Wechselstrom-Kupferverlusten der verschachtelten planaren Wicklungen eignet es sich hervorragend für moderne KI-Server-Netzteile und leistungsstarke DC/DC-Wandler.

Weiterführende Literatur: Hochleistungs-LLC-Resonanztransformator-Lösungen: Von 500 W bis 6 kW.

Maßgeschneiderte Dienstleistungen für die Entwicklung und Fertigung magnetischer Bauteile bei TrafoPSU

TrafoPSU ist ein in China ansässiges Hersteller von kundenspezifischen Magnetkomponenten spezialisiert auf Hochfrequenz-Magnettechnik, kundenspezifische Planartransformatoren, integrierte Induktivitäten und Magnetkomponenten mit hoher Leistungsdichte. Als Hersteller von Transformatoren und Induktivitäten, unterstützen wir Kunden, die einen Hersteller für maßgeschneiderte Transformatoren in China suchen, bei der elektrischen Konstruktion, dem Prototypenbau, der Validierung und der Serienfertigung.

• OEM/ODM-Prototypenentwicklung: Individuell angepasste Wicklungsverhältnisse von Primär- und Sekundärwindungen, planare Leiterplattenaufbauten und integrierte Resonanzdrosseln.
• Materialbeschaffung: Zertifizierte DMEGC-Ferritkerne (DMR59, DMR95, DMR52), TDK- und Ferroxcube-Materialien.
• Prüfung und Qualitätssicherung: Führen Sie automatisierte elektrische Prüfungen nach 100%, HIPOT-Isolationsprüfungen und thermische Profilierungen durch.

Zu den damit verbundenen Kompetenzen im Bereich magnetischer Komponenten gehören die technische Unterstützung und die Produktionsunterstützung für eine nanokristalline Gleichtaktdrossel oder ein Maßgefertigte Hochstrom-Induktivität Einsatz in den Bereichen EMI-Filterung, Energiespeicherung und Hochstrom-Leistungsumwandlung.

Wenden Sie sich an unser Team für Anwendungstechnik um Muster zu anfordern oder zu besprechen, wie dieses 2-kW-PQI35/28-Planartransformator-Design an Ihre Anforderungen hinsichtlich Spannung, Frequenz, Wärmeentwicklung und Topologie angepasst werden kann.