Las fuentes de alimentación (PSU) de alta densidad de última generación para centros de datos, servidores de IA y electrónica industrial exigen una eficiencia de conversión ultraalta (>98,51 TP3T) y una alta densidad de potencia (>90 W/pulgada³). A medida que las frecuencias de conmutación alcanzan los 200 kHz – 500 kHz En este régimen, los transformadores bobinados convencionales adolecen de elevadas pérdidas por efecto de proximidad, una variación excesiva de la inductancia de fuga y cuellos de botella térmicos.

Esta nota de aplicación presenta una metodología de diseño exhaustiva para un Transformador resonante LLC integrado de alta densidad de potencia de 2 kW utilizando el Núcleo de ferrita de manganeso y zinc DMEGC DMR59 en un PQI35/28 (conjunto PQI35/11,4) geometría. Gracias a la aplicación de una estrategia de bobinado entrelazado en varias capas de una placa de circuito impreso plana de FR4, a la integración optimizada de la inductancia resonante y a la selección de ferrita de bajas pérdidas, el transformador alcanza una eficiencia máxima en la etapa CC-CC superior a 98.8% con un aumento máximo de temperatura inferior a 50 °C.

1. Selección de materiales: Características principales del DMEGC DMR59

La selección del material de ferrita adecuado es fundamental para minimizar las pérdidas en el núcleo (Pv) a frecuencias de conmutación superiores a 200 kHz. DMEGC DMR59 Es una ferrita de potencia de manganeso y zinc (Mn-Zn) de alta frecuencia y pérdidas ultrabajas, diseñada específicamente para convertidores LLC y de desplazamiento de fase de alta densidad.

Comparación de prestaciones clave

• Pérdida mínima en el núcleo (Pv): El DMR59 presenta un coeficiente de temperatura negativo de la pérdida de potencia de hasta 100 °C, alcanzando su densidad de pérdida mínima absoluta entre los 80 °C y los 100 °C, lo que se ajusta al rango térmico típico de funcionamiento a plena carga de las fuentes de alimentación de los servidores modernos.
• Rendimiento en alta frecuencia: En comparación con materiales tradicionales como el DMR44 o el N97, el DMR59 presenta pérdidas volumétricas significativamente menores a Bm = 50 mT y f = 300 kHz–500 kHz.
• Alta densidad de flujo de saturación (Bs): Supera los 510 mT a 25 °C y los 410 mT a 100 °C, lo que ofrece amplios márgenes de saturación durante el arranque, los cambios transitorios de carga y los eventos de retención.

2. Geometría del transformador resonante LLC integrado y construcción mecánica plana

En PQI35/28 El conjunto de núcleo (que combina las mitades del núcleo PQ35 y del núcleo PQI plano) ofrece un equilibrio optimizado entre el área de sección transversal magnética (Ae) y la altura total, y se adapta a la perfección a los estándares Límites del chasis de 1U (altura exterior de 40 mm).

Innovaciones estructurales clave

1. Bobinados planos en PCB multicapa entrelazados: Al adoptar una relación de espiras entre primario y secundario de 8:2 en 6 u 8 capas de PCB con entrelazado completo (P-S-P-S), se reducen drásticamente las pérdidas de cobre en CA (I2RAC) causadas por el efecto piel y las corrientes parásitas.
2. Capacitancia entre capas controlada: se insertan espaciadores anulares de FR4 y láminas aislantes de Kapton (20 µm – 50 µm) entre las capas de bobinado de la placa de circuito impreso para mantener una separación precisa del espacio de aire, lo que minimiza la capacitancia parásita en modo común entre bobinados (Ccm) y reduce el ruido electromagnético (EMI).
3. Integración con rectificación síncrona (SR): Los planos de cobre de salida secundarios planos se conectan directamente con los MOSFET de potencia del lado secundario (por ejemplo, OptiMOS de 80 V o dispositivos de GaN), lo que minimiza la resistencia de terminación y la inductancia parásita de los terminales.

3. Especificaciones eléctricas y de diseño

A continuación se presenta el resumen de los parámetros eléctricos del transformador PQI35/28 de 2 kW, diseñado para una etapa CC-CC de medio puente con circuito LLC:

4. Validación del rendimiento y fallo térmico

4.1 Curva de eficiencia de la etapa

Cuando se utiliza en un convertidor LLC de 400 V a 48 V con interruptores primarios de nitruro de galio (CoolGaN™) y rectificadores síncronos OptiMOS™ de bajo RDSon:

• Máxima eficiencia: 98.85% con una carga de 50% (1000 W).
• Eficiencia a plena carga: 98.42% con una carga de 100% (2000 W).

4.2 Perfil térmico con flujo de aire forzado en un espacio de 1U

• Temperatura ambiente (Tamb): 25 °C (entorno de funcionamiento simulado con una temperatura máxima de 45 °C).
• Punto de acceso central (DMEGC DMR59): ~68 °C con una carga continua máxima de 2000 W.
• Punto crítico del bobinado en placas de circuito impreso: ~73 °C en la terminación de salida del SR secundario.
• Reserva térmica: >Un margen de 25 °C por debajo del margen térmico máximo de 100 °C, lo que evita un calentamiento descontrolado del núcleo.

5. Recomendaciones sobre gestión térmica y diseño

Para reproducir estos resultados de las pruebas de rendimiento en tu diseño personalizado de placa de circuito impreso:

1. Vías térmicas directas: Coloca matrices densas de microvías térmicas (0,3 mm de diámetro, paso de 0,8 mm) debajo de la huella del transformador plano para transferir el calor directamente al disipador de calor de aluminio inferior o al chasis.
2. Canalización del flujo de aire: Asegúrate de que el aire impulsado por el ventilador de la carcasa se canalice a través de los laterales del núcleo magnético del PQI35 y de los MOSFET de rectificación síncrona secundarios.
3. Caminos de corriente simétricos: Mantenga trazas de corriente de igual longitud en los devanados secundarios paralelos para evitar la concentración localizada de corriente y desequilibrios térmicos.

6. Conclusión y soluciones personalizadas de transformadores planos

En Diseño de un transformador resonante LLC integrado PQI35/28 de 2 kW utilizando el Núcleo de ferrita DMEGC DMR59 ofrece un diseño de nivel industrial para convertidores de potencia ultradensos y de alta eficiencia. Sus bajas pérdidas en el núcleo a temperaturas elevadas, combinadas con las bajas pérdidas de cobre en CA de los devanados planos intercalados, lo convierten en una opción eficaz para las modernas fuentes de alimentación de servidores de IA y los convertidores CC-CC de alta potencia.

Lecturas relacionadas: Soluciones de transformadores resonantes de High-Power LLC: de 500 W a 6 kW.

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