Les blocs d'alimentation haute densité de nouvelle génération destinés aux centres de données, aux serveurs d'IA et à l'électronique industrielle exigent un rendement de conversion ultra-élevé (>98,51 TP3T) et une densité de puissance élevée (>90 W/pouce³). À mesure que les fréquences de commutation atteignent les 200 kHz – 500 kHz Dans ce contexte, les transformateurs à enroulements conventionnels présentent des pertes élevées dues à l'effet de proximité, une variance excessive de l'inductance de fuite et des goulots d'étranglement thermiques.

Cette note d'application présente une méthodologie de conception complète pour un Transformateur résonant LLC intégré à haute densité de puissance de 2 kW en utilisant le Noyau en ferrite Mn-Zn DMEGC DMR59 dans un PQI35/28 (ensemble PQI35/11,4) géométrie. Grâce à une stratégie d'enroulement en entrelacement multicouche sur un circuit imprimé plan en FR4, à une intégration optimisée de l'inductance résonante et au choix de ferrites à faibles pertes, le transformateur atteint un rendement maximal de l'étage CC-CC supérieur à 98.8% avec une élévation maximale de la température inférieure à 50 °C.

1. Choix des matériaux : caractéristiques principales du DMEGC DMR59

Le choix d'un matériau ferrite adapté est essentiel pour réduire au minimum les pertes dans le noyau (Pv) à des fréquences de commutation supérieures à 200 kHz. DMEGC DMR59 Il s'agit d'une ferrite de puissance au manganèse-zinc (Mn-Zn) à haute fréquence et à très faibles pertes, spécialement conçue pour les convertisseurs LLC et à déphasage à haute densité.

Comparaison des principales performances

• Perte dans le noyau minimale (Pv): Le DMR59 présente un coefficient de température négatif pour les pertes de puissance jusqu'à 100 °C, avec une densité de pertes minimale absolue comprise entre environ 80 °C et 100 °C, ce qui correspond à la plage de fonctionnement thermique typique à pleine charge des blocs d'alimentation des serveurs modernes.
• Performances dans les hautes fréquences: Par rapport aux matériaux traditionnels tels que le DMR44 ou le N97, le DMR59 présente des pertes volumétriques nettement inférieures à Bm = 50 mT et à des fréquences comprises entre 300 kHz et 500 kHz.
• Densité de flux à haute saturation (Bs): Dépasse 510 mT à 25 °C et 410 mT à 100 °C, offrant ainsi des marges de saturation importantes lors du démarrage, des variations de charge transitoires et des événements de maintien de tension.

2. Géométrie du transformateur résonant à LLC intégré et conception mécanique plane

Le PQI35/28 L'ensemble de noyaux (combinant les moitiés de noyau PQ35 et PQI planaires) offre un équilibre optimisé entre la section transversale magnétique (Ae) et la hauteur totale, s'intégrant parfaitement dans les normes Limites du châssis 1U (hauteur extérieure de 40 mm).

Principales innovations structurelles

1. Enroulements de circuits imprimés planaires multicouches entrelacés : En adoptant un rapport de spires primaire/secondaire de 8:2 sur 6 à 8 couches de circuit imprimé avec entrelacement complet (P-S-P-S), les pertes de cuivre en courant alternatif (I2RAC) causées par l'effet de peau et les courants de Foucault sont considérablement réduites.
2. Capacité intercouche contrôlée : des entretoises annulaires en FR4 et des feuilles isolantes en Kapton (20 µm – 50 µm) sont insérées entre les couches d'enroulement du circuit imprimé afin de maintenir un espacement précis des entre-couches, ce qui permet de minimiser la capacité parasite en mode commun (Ccm) entre les enroulements et de réduire les interférences électromagnétiques (EMI).
3. Intégration avec la rectification synchrone (SR) : les plans de cuivre planaires de la sortie secondaire sont directement reliés aux MOSFET de puissance du côté secondaire (par exemple, des OptiMOS 80 V ou des dispositifs GaN), ce qui permet de réduire au minimum la résistance de terminaison et l'inductance parasite aux bornes.

3. Spécifications électriques et techniques

Vous trouverez ci-dessous le récapitulatif des paramètres électriques du transformateur PQI35/28 de 2 kW, conçu pour un étage CC-CC en demi-pont LLC :

4. Validation des performances et dégradation thermique

4.1 Courbe de rendement de l'étage

Lorsqu'il est utilisé dans un convertisseur LLC de 400 V à 48 V équipé de commutateurs primaires en nitrure de gallium (CoolGaN™) et de redresseurs synchrones OptiMOS™ à faible RDSon :

• Rendement maximal : 98.85% à une charge de 50% (1 000 W).
• Rendement à pleine charge : 98.42% à une charge de 100% (2 000 W).

4.2 Profil thermique avec circulation d'air forcée dans un espace 1U

• Température ambiante (Tamb): 25 °C (environnement de fonctionnement simulé à 45 °C maximum).
• Point d'accès central (DMEGC DMR59) : ~68 °C à une charge continue maximale de 2 000 W.
• Point sensible dans le bobinage des circuits imprimés : Environ 73 °C au niveau de la borne de sortie du SR secondaire.
• Réserve thermique : >Une marge de 25 °C en dessous de la limite thermique maximale de 100 °C, ce qui empêche un échauffement incontrôlé du cœur.

5. Recommandations en matière de gestion thermique et d'agencement

Pour reproduire ces résultats de test de performance sur votre conception de circuit imprimé personnalisée :

1. Vias thermiques directs : Placer des réseaux denses de micro-vias thermiques (diamètre de 0,3 mm, pas de 0,8 mm) sous l'empreinte du transformateur planaire afin de transférer la chaleur directement vers le dissipateur thermique en aluminium situé en dessous ou vers le châssis.
2. Canalisation du flux d'air : Veillez à ce que l'air soufflé par le ventilateur du boîtier soit acheminé le long des flancs du noyau magnétique du PQI35 et des MOSFET de redressement synchrone secondaires.
3. Parcours symétriques du courant : Veillez à ce que les trajets de courant des enroulements secondaires parallèles soient de longueur égale afin d'éviter une concentration localisée du courant et des déséquilibres thermiques.

6. Conclusion et solutions sur mesure pour les transformateurs planaires

Le Conception d'un transformateur résonant LLC intégré PQI35/28 de 2 kW en utilisant le Noyau en ferrite DMEGC DMR59 Il offre une solution de référence de niveau industriel pour les convertisseurs de puissance ultra-denses et à haut rendement. Ses faibles pertes dans le noyau à haute température, associées aux faibles pertes en courant alternatif dans le cuivre des enroulements planaires entrelacés, en font une option efficace pour les alimentations électriques des serveurs d'IA modernes et les convertisseurs CC-CC de forte puissance.

À lire également : Solutions de transformateurs résonants High-Power LLC : de 500 W à 6 kW.

Services de conception et de fabrication sur mesure de composants magnétiques chez TrafoPSU

TrafoPSU est une entreprise basée en Chine fabricant de composants magnétiques sur mesure spécialisée dans l'ingénierie magnétique haute fréquence, les transformateurs planaires sur mesure, les inductances intégrées et les composants magnétiques à haute densité de puissance. En tant que fabricant de transformateurs et d'inductances, nous accompagnons nos clients dans la conception électrique, le prototypage, la validation et la production en série, pour ceux qui recherchent un fabricant de transformateurs sur mesure en Chine.

• Prototypage OEM/ODM : Rapports de transformation primaire/secondaire personnalisés, empilements de circuits imprimés planaires et selfs résonnantes intégrées.
• Approvisionnement en matériaux : Noyaux en ferrite certifiés DMEGC (DMR59, DMR95, DMR52), ainsi que des matériaux TDK et Ferroxcube.
• Tests et assurance qualité : Réaliser les tests électriques automatisés 100%, les contrôles d'isolation HIPOT et les profils thermiques.

Les compétences associées aux composants magnétiques comprennent notamment l'assistance technique et le soutien à la production pour un self de mode commun nanocristallin ou un inductance sur mesure à courant élevé utilisé dans le filtrage des interférences électromagnétiques, le stockage d'énergie et la conversion de puissance à courant élevé.

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