Gli alimentatori (PSU) ad alta densità di nuova generazione destinati ai data center, ai server di intelligenza artificiale e all’elettronica industriale richiedono un’efficienza di conversione estremamente elevata (>98,5%) e un’elevata densità di potenza (>90 W/pollice³). Man mano che le frequenze di commutazione raggiungono i 200 kHz – 500 kHz In questo contesto, i trasformatori di ferita convenzionali presentano elevate perdite dovute all’effetto di prossimità, un’eccessiva variabilità dell’induttanza di dispersione e colli di bottiglia termici.

La presente nota applicativa illustra una metodologia di progettazione completa per un Trasformatore risonante LLC integrato ad alta densità di potenza da 2 kW utilizzando il DMEGC DMR59, nucleo in ferrite di manganese-zinco in un PQI35/28 (gruppo PQI35/11,4) geometria. Grazie all’adozione di una strategia di avvolgimento del PCB planare FR4 multistrato intercalato, all’integrazione ottimizzata dell’induttanza risonante e alla scelta di ferriti a basse perdite, il trasformatore raggiunge un’efficienza di picco dello stadio CC-CC superiore a 98.8% con un aumento massimo della temperatura inferiore a 50 °C.

1. Selezione dei materiali: Caratteristiche principali del DMEGC DMR59

La scelta del materiale ferritico corretto è fondamentale per ridurre al minimo le perdite nel nucleo (Pv) a frequenze di commutazione superiori a 200 kHz. DMEGC DMR59 è una ferrite di potenza al manganese-zinco (Mn-Zn) ad alta frequenza e a bassissima perdita, appositamente progettata per convertitori LLC ad alta densità e convertitori a sfasamento.

Confronto delle prestazioni principali

• Perdita al nucleo minima (Pv): Il DMR59 presenta un coefficiente di perdita di potenza negativo fino a 100 °C, raggiungendo la densità di perdita minima assoluta tra gli 80 °C e i 100 °C, in linea con la tipica finestra operativa termica a pieno carico dei moderni alimentatori per server.
• Prestazioni ad alta frequenza: Rispetto a materiali tradizionali come il DMR44 o l'N97, il DMR59 presenta perdite volumetriche significativamente inferiori a Bm=50 mT e a f=300 kHz−500 kHz.
• Elevata densità di flusso di saturazione (Bs): Supera i 510 mT a 25 °C e i 410 mT a 100 °C, garantendo ampi margini di saturazione durante l'avvio, le variazioni transitorie di carico e gli eventi di mantenimento della tensione.

2. Geometria integrata del trasformatore risonante LLC e struttura meccanica planare

Il PQI35/28 Il set di nuclei (che combina il PQ35 e le due metà del nucleo PQI planare) offre un equilibrio ottimizzato tra l'area della sezione trasversale magnetica (Ae) e l'altezza totale, integrandosi perfettamente negli standard Limiti dello chassis 1U (altezza esterna di 40 mm).

Principali innovazioni strutturali

1. Avvolgimenti su PCB planari multistrato intercalati: Adottando un rapporto di avvolgimento primario-secondario di 8:2 su 6-8 strati di PCB con interleaving completo (P-S-P-S), le perdite in rame in corrente alternata (I2RAC) causate dall'effetto pelle e dalle correnti parassite vengono drasticamente ridotte.
2. Capacità interstrato controllata: tra gli strati di avvolgimento del PCB vengono inseriti distanziatori ad anello in FR4 e fogli isolanti in Kapton (20 µm – 50 µm) per mantenere una distanza precisa tra gli spazi d'aria, riducendo al minimo la capacità parassita in modo comune (Ccm) tra gli avvolgimenti e riducendo il rumore EMI.
3. Integrazione con la rettifica sincrona (SR): i piani di rame secondari planari dell'uscita si interfacciano direttamente con i MOSFET di potenza del lato secondario (ad esempio, dispositivi OptiMOS da 80 V / GaN), riducendo al minimo la resistenza di terminazione e l'induttanza parassita dei terminali.

3. Specifiche elettriche e di progettazione

Di seguito è riportato il riepilogo dei parametri elettrici del trasformatore PQI35/28 da 2 kW, progettato per uno stadio CC-CC a semiponte LLC:

4. Verifica delle prestazioni e guasto termico

4.1 Curva di rendimento dello stadio

Se utilizzato in un convertitore LLC da 400 V a 48 V con interruttori primari in nitruro di gallio (CoolGaN™) e raddrizzatori sincroni OptiMOS™ a basso RDSon:

• Massima efficienza: 98.85% con carico 50% (1000 W).
• Efficienza a pieno carico: 98.42% con carico 100% (2000 W).

4.2 Profilo termico con flusso d'aria forzato in spazio 1U

• Temperatura ambiente (Tamb): 25 °C (ambiente operativo simulato con temperatura massima di 45 °C).
• Hotspot principale (DMEGC DMR59): ~68 °C con un carico continuo massimo di 2000 W.
• Punto critico dell'avvolgimento del PCB: ~73 °C al terminale di uscita secondario dell'SR.
• Riserva termica: >Un margine di 25 °C al di sotto del limite termico massimo di 100 °C, che impedisce un surriscaldamento incontrollato del nucleo.

5. Gestione termica e raccomandazioni relative al layout

Per ottenere gli stessi risultati dei test di riferimento nel proprio progetto di PCB personalizzato:

1. Vie termiche dirette: Posizionare una fitta matrice di micro-via termici (diametro 0,3 mm, passo 0,8 mm) sotto l'ingombro del trasformatore planare per trasferire il calore direttamente al dissipatore di calore in alluminio inferiore o al telaio.
2. Canalizzazione del flusso d'aria: Assicurarsi che l'aria forzata proveniente dalla ventola dell'involucro venga convogliata lungo i lati del nucleo magnetico del PQI35 e sui MOSFET di rettifica sincrona secondari.
3. Percorsi di corrente simmetrici: Mantenere tracce di corrente di uguale lunghezza per gli avvolgimenti secondari in parallelo, al fine di evitare un accumulo localizzato di corrente e squilibri termici.

6. Conclusioni e soluzioni personalizzate per trasformatori planari

Il Progettazione di un trasformatore risonante LLC integrato PQI35/28 da 2 kW utilizzando il Nucleo in ferrite DMEGC DMR59 offre un modello di livello industriale per convertitori di potenza ultra-densi e ad alta efficienza. Le sue basse perdite nel nucleo a temperature elevate, unite alle basse perdite in rame in corrente alternata degli avvolgimenti planari intercalati, lo rendono una soluzione efficace per i moderni alimentatori dei server basati sull’intelligenza artificiale e per i convertitori CC-CC ad alta potenza.

Altre letture: Soluzioni con trasformatori risonanti ad alta potenza di High-Power LLC: da 500 W a 6 kW.

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TrafoPSU è un'azienda con sede in Cina produttore di componenti magnetici su misura specializzata in ingegneria magnetica ad alta frequenza, trasformatori planari su misura, induttori integrati e componenti magnetici ad alta densità di potenza. In qualità di produttore di trasformatori e induttori, forniamo supporto nella progettazione elettrica, nella prototipazione, nella validazione e nella produzione in serie per i clienti alla ricerca di un produttore di trasformatori su misura in Cina.

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• Approvvigionamento dei materiali: Nuclei in ferrite certificati DMEGC (DMR59, DMR95, DMR52), TDK e Ferroxcube.
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Tra le competenze relative ai componenti magnetici figurano il supporto tecnico e produttivo per un induttanza di modo comune nanocristallina oppure un induttore personalizzato per correnti elevate utilizzato nel filtraggio delle interferenze elettromagnetiche, nell'accumulo di energia e nella conversione di potenza ad alta corrente.

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