作者簡介

本文是第二屆電力電子科普征文大賽的獲獎作品，來自上海科技大學劉賾源的投稿。

04 平面磁集成技術的發展

在此基礎上，平面磁集成技術開始廣泛應用于高功率密度場景，通過將變壓器的繞組(winding)設計在pcb電路板上從而代替利茲線，從而極大降低了變壓器的高度。

然而pcb的銅帶厚度并不大，一般不會超過4oz（140μm）,因此想要通過pcb傳輸大電流會有極大的損耗。為了降低這部分的損耗，有人可能會想到只要增加銅帶寬度，問題就可以迎刃而解。然而這種方式變相地增加了變壓器占據的面積，同時會讓磁芯體積更加龐大。

那么到底如何解決這一問題呢？由于副邊的輸出電流極大，因此在實際應用中副邊會被拆分成多個并聯的狀態，如圖五所示，此時每一路的輸出電流僅為總電流的1/4。

根據功率計算公式，損耗功率與電流成二次方關系，因此此時副邊的損耗只有原本的1/4。隨著器件的發展以及第三代半導體(GaN, SiC)的推廣，此時工作頻率提升到了1MHz，更加有效地減小了整個電路的體積。圖六顯示了平面變壓器下的LLC電路，此時功率密度提升到了700W/in³[1]。

圖五：ISOP 4相LLC電路

圖六：4相LLC電路板

在這之后的發展就順理成章起來了，兩個變壓器導致整體電路面積的增加，因此將2個變壓器集成到1個磁芯上就可以有效提升功率密度。集成之后的電路板如圖七所示，此時電路的功率密度已經突破了900W/in³[2]。

圖七：4相單變壓器LLC電路板

05 來自器件的制約

此時針對電路方面的優化已經十分有限了，可能的優化方向就是這個巨大的矩陣變壓器(matrix transformer)。變壓器占據了整個電路一半的體積，因此出現了新一類的開關電容電路（Switched Capacitor Converter）。但是，LLC仍然憑借其極高的效率與功率密度，簡單的拓撲結構以及變壓器提供的輸入輸出隔離成為當下的主流應用電路。

隨著器件的發展，LLC電路功率密度也在不斷更新。在當下的數據中心供電場景中，LLC電路已經可以達到超過3kW/in³的驚人的功率密度，當下能夠限制電路體積減小的就是來自器件與材料的制約。

06 總結

除了集成電路，電力電子領域也在經歷著類似于“摩爾定律”的發展趨勢，即每隔一段時間，電路的功率密度就會有一次質的飛躍。盡管當前電路的功率密度已經達到了一個相對較高的水平，但在未來，隨著半導體和磁性材料的不斷進步，我們有望見證電路功率密度的再次提升。這些新材料和技術的出現，將為電力電子領域帶來前所未有的機遇和挑戰。

參考資料

[1] D. Huang, S. Ji and F. C. Lee, "LLC Resonant Converter With Matrix Transformer," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 29, no. 8, pp. 4339-4347, Aug. 2014.

[2] C. Fei, F. C. Lee and Q. Li, "A new design paradigm for GaN based LLC converter," 2017 IEEE Southern Power Electronics Conference (SPEC), Puerto Varas, Chile, 2017, pp. 1-6.