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平面矩阵变压器的屏蔽技术可抑制共模EMI噪声并提高效率
超飞,IEEE学生成员，杨宇成，IEEE学生成员，李强，IEEE学生成员,
Fred C.Lee,IEEE终身院士
摘要-隔离的高输出电流DC / DC转换器对信息技术行业的电源至关重要。带有矩阵变压器的LLC转换器由于其高效率和高功率密度而适用于这些应用。通过使用GaN器件将开关频率提高到MHz，带有印刷电路板（PCB）绕组的平面矩阵变压器比传统变压器设计更具优势，但PCB绕组的大互绕电容为共模（CM）噪声提供了一个临界耦合通道。为了分析CM噪声，先要分析PCB绕组的绕组间电容，并在本文给出一个相关的CM噪声模型。为了抑制CM噪声，屏蔽层可以在制造过程中自动插入主绕组和次绕组之间的PCB绕组。本文提出了一种新颖的屏蔽技术，其中一半屏蔽作为初级绕组。所提出的屏蔽技术不仅可以抑制CM噪声，而且还可以提高效率。所提出的屏蔽通过在具有97.7％的峰值效率和900W /的功率密度的1MHz 400V / 12V 800W LLC转换器上的实验来验证。所提议的屏蔽可将CM噪声降低30 dB，并将满载效率提高0.2％。
关键词：共模噪声 氮化镓 互绕电容 LLC变换器 矩阵变压器 屏蔽
1.介绍
工业应用中使用的所有电源，即信息技术（IT）行业中使用的电源是最大的性能驱动，并且由于大量的电力消耗而具有能量和成本意识。在IT行业中，当今数据中心的总功耗日益显着。 2014年，美国的数据中心耗电量估计为700亿千瓦时，约占美国总电量的1.8％[1]。 目前数据中心电源架构的的做法总转换效率有限，因为它具有许多转换阶段以及由于12V总线而导致的过度R损耗。为了减轻配电线路中的重大母线损耗并减少能量转换阶段，谷歌，Facebook，思科和IBM等行业领先企业已经开始实施新的数据中心设计，配置更高的电压分配总线，例如48或400 V而不是12 V[2]-[5]。最近，IBM和其他服务器制造商指定的国际电子制造行业协会（International Electronics Manufacturing Initiative）开展了一项项目，开发用于DC / DC转换器的工业标准[6]，该标准用于将高压400V总线降压至12V并直接放置在主板上。这种采用400V总线的新型功率架构被认为优于目前的实践，并可以用48V总线进一步取代功率架构。
当需要将高降压DC / DC转换器放置在主板上时，由于主板占用空间的限制，它必须具有高功率密度。目前的DC / DC转换器工作在50-100 kHz，功率密度小于50 W /，无法满足这样的要求。开关频率的急剧增加对于提高功率密度是必要的。然而，当开关频率被推高时，由主开关节点引起的高dv / dt和通过高频变压器的绕组间电容产生的相关共模（CM）噪声对于所有主处理器的信号处理/存储设备变得不利。CM噪声是高频DC / DC转换器设计中的主要问题之一[7]-[9]。
LLC谐振转换器适用于高效率和高功率密度设计，以满足分布式电源系统和数据中心电源的趋势[10]-[14]。LLC转换器可实现从零到全负载范围的零电压开关（ZVS），同时为主开关提供低关断电流，同时为同步整流器（SRs）提供零电流开关（ZCS）；这种软开关特性可以帮助减少电磁干扰（EMI）[14]。随着宽带隙器件和新型磁性材料的迅速发展[15],[16]，具有GaN器件的MHz LLC转换器已经被设计用于不同的应用[17]-[20]。由于较大的传导损耗和交流终端损耗，设计用于高输出电流DC / DC转换器的变压器非常具有挑战性。为了减少这些损失，一个混合变压器结构被采用[21]，[22]，但制造过于复杂。使用矩阵变换器概念[23]，通过用多个核心分配次级电流，可以增加输出电流能力。为了减小磁芯尺寸和损耗[17]，建议采用磁通消除，但变压器采用非常昂贵的12层印刷电路板（PCB）来实现。另一种解决方案是使用一个简单的四层PCB来实现矩阵变压器绕组，并将SRs和输出电容器集成为次级绕组的一部分，以消除交流终端损耗[18],[19]。这些设计仍然存在与多芯结构复杂相关的问题，并且进一步改进了[20]将所有元件变压器集成为一个磁通密度减小的磁芯，以提高效率和功率密度。通过上述所有这些努力,达到了97.6％的峰值效率和900W /的功率密度[20]。已经证明，PCB绕组矩阵变压器优于传统设计,不仅因为其高效率和高功率密度，而且由于其简单的结构和自动可制造性。
另一方面，PCB绕组矩阵变压器具有完全交错的绕组，这导致较大的分布式绕组间电容，并因此导致较大的CM噪声电流。为了抑制隔离式DC / DC转换器中的CM噪声，已经做了很多努力，这主要是由流过高dv / dt节点和地之间的寄生电容的位移电流引起的。 已经开发了互绕电容模型和CM噪声模型来预测噪声频谱[24]-[26]，但是他们都没有分析矩阵变压器结构。可采用被动取消方法或平衡技术来降低CM噪声[27]-[30]，但它们需要额外的无源元件，并且对元件和电路的容差非常敏感。屏蔽技术是一种抑制CM噪声的有效方法[31]-[34]，如果采用PCB绕组[35]，可以自动嵌入到PCB制造过程中，但所有这些屏蔽方法会造成额外的损耗并降低效率。为了促进屏蔽技术的采用，开发矩阵变压器的绕组间电容和CM噪声模型，为矩阵变压器提出一种新的屏蔽技术而不牺牲效率是非常有意义的。
在本文中，第二节研究了具有平面矩阵变压器和屏蔽技术的高频LLC变换器。第三节开发了矩阵变压器的绕组间电容和CM噪声模型。 第四节为矩阵变压器及其PCB绕组实现提出了一种新颖的屏蔽技术，它不仅可以降低CM噪声，还可以提高效率。 第五节介绍1MHz 400V/12V 800W LLC转换器的实验结果，峰值效率为97.7％，功率密度为900W/。 实验结果表明，所提出的屏蔽技术可在所有感兴趣的频率范围内将CM噪声降低30 dB，并将满载效率提高0.2％。 摘要在第六节中给出。
(a) (b)
图1. LLC转换器的原理图。 （a）使用传统变压器 （b）采用矩阵变压器
图2.矩阵变压器。 （a）四核结构 （b）双核结构 （c）单核心结构 （d）单芯结构的磁性部件
2.平面矩阵变换器的研究与屏蔽技术
对于需要低电压和高电流输出的应用（例如计算机服务器），LLC转换器有几个重要的设计考虑因素：4-8个SRs应并联以减少二次传导损耗，如图1所示（a）。这使得难以实现电流共享。在变压器和SRs之间的终端点有很大的终端损耗，在图1（a）中用红点标出。另一方面，变压器通常使用绞合线作为初级绕组，而铜箔作为次级绕组，这是非常笨重，劳动强度大且昂贵的。
如图1（b）所示，矩阵变压器可以通过使用PCB绕组来解决这些挑战。传统的单核结构被分成四核结构。由于串联连接，四个元件变压器的主电流相同。 次级电流完全平衡，大的次级电流均匀分配到不同的SRs。
图1（b）中的矩阵变换器可以通过使用四组相同的UI内核来形成。如图2（a）所示，初级绕组缠绕每个磁芯的一个支柱，其中为简单起见仅示出初级绕组。 为了简化图2（a）中的结构，可以修改初级绕组，如图2（b）所示，通过取消磁通将磁芯数量减半[18],[19]。进一步的磁集成被提出[20]，如图2（c）和（d）所示，以提高效率，并将所有元件变压器集成到一个磁性元件中。采用这种结构，磁板中的磁通密度减少一半，这对高频铁氧体材料非常有利，因为铁损在总损耗中占很大比例，主要由磁通密度决定。
图3.集成矩阵变压器的四层PCB绕组实施。 （a）第二层的第一层
（b）第2层用于初级 （c）第3层用于初级 （d）第二层为第四层
SR和输出电容器集成到次级绕组中，采用简单的四层PCB绕组，如图3所示，其中顶层和底层是次级绕组，中心抽头结构和中间两层是主要的绕组。采用这种方法，所有电流相加的终点出现在直流侧; 因此，不会有交流终止损失。
采用简单的四层PCB绕组矩阵变压器的最新LLC转换器设计，其峰值效率为97.6％，功率密度为900W/，开关频率为1MHz[20]。这种自动制造变压器的设计比采用体积庞大的手工变压器的传统LLC变换器设计更为优越。
但由于完全交错的PCB绕组，矩阵变压器的CM噪声电流很大。屏蔽技术是抑制CM噪声的有效方法。这是通过在主绕组和次绕组之间插入屏蔽层来实现的。 有几种方法可以实现屏蔽技术。在[31]中，初级绕组和次级绕组都具有多匝，并且采用两层相同的单圈铜箔作为屏蔽层；初级线圈旁边的屏蔽层连接到主地线，另一层连接到次级地线。因此，由初级侧引起的噪声将流向其旁边的屏蔽层并循环回到初级接地层，从而在次级侧产生噪声，并且在两个屏蔽层之间没有CM噪声，因为它们是相同的并具有相同的电压分布。在[32]中，初级绕组和次级绕组都具有多匝，并采用一层单匝铜箔作为屏蔽层，该屏蔽层连接到初级绕组并且没有有目的地完全覆盖次级绕组。在覆盖区域，CM电流从次级绕组流向屏蔽层，然后流向主接地层。在非覆盖区域，CM电流从初级绕组流向次级绕组。通过平衡这两个电流，CM噪声可以被最小化。在[33]和[34]中，只使用了一层屏蔽层，屏蔽层与次级绕组相同。屏蔽层连接到主接地端，以便初级端产生的噪声将通过屏蔽层回流到主接地层。这种方法是在[35]中扩展PCB绕组。
（a） （b）
图4.具有两个屏蔽层的PCB绕组矩阵变压器。 （a）示意图 （b）横截面图
特别是对于四层PCB绕组矩阵变压器，屏蔽可以通过简单地在主绕组和次绕组之间放置两个屏蔽层来实现，如图4所示。每个屏蔽层都连接到主接地。因此，由初级绕组感应的CM噪声电流将流向屏蔽层并循环回到主地线。 屏蔽层与次级绕组相同，都是单匝绕组，因此它们具有相同的电压分布。因此，即使在屏蔽层和次级绕组之间存在寄生电容，它们之间也没有CM电流，因为该寄生电容两端的电位差为零。
为了预测矩阵变压器的CM噪声，在第三节中开发了绕组间电容和CM噪声模型。更重要的是，为了解决由屏蔽引起的额外损耗的挑战[31]-[34]，在第四节中提出了一种新颖的屏蔽技术。
3.PCB绕组矩阵变换器的插入电容与CM噪声分析
如图5（a）所示，对于低电压，高电流输出应用，LLC转换器将采用半桥初级和中心抽头次级，其中有四个电压脉动节点，其中dv / dt，包括半桥开关节点电压，施加到变压器初级绕组的电压，以及两个SRs和的漏极-源极电压。在本文设计中，利用变压器的漏感作为谐振电感，否则，将连接到谐振电感器Lr的右端。CM噪声耦合路径可以简化，如图5（b）所示。是初级绕组和次级绕组之间的互绕电容，对于带有PCB绕组的平面变压器来说互绕电容是非常大，因为大的绕组区域和初级和次级绕组之间有限的距离。是在半桥交换节点和主地之间的寄生电容，它通常比小得多，而且测量的精确电容非常困难。和以相同的幅度和180°的相位差互补，这意味着这两个dv / dt节点产生的CM噪声相互抵消。因此，二次侧不会产生CM噪声。总之，主导CM噪声的耦合路径，但是在屏蔽技术时通过的CM噪声耦合路径可以被消除。具有变压器设计的LLC转换器屏蔽时只有用于CM噪声耦合路径。考虑到远小于的情况，屏蔽对降低CM噪声非常有效。CM噪声频谱和屏蔽效能都可以用在本节书里的模型预测。
(a)
(b)
图5. LLC转换器的简化CM噪声模型。 （a）示意图 （b）CM噪声源和耦合路径
图6.单个变压器的CM噪声电流模型。 （a）分布式模型 （b）集中模型。
为了开发矩阵变压器的CM噪声模型，首先开发了单变压器模型，如图6所示。在分布式模型中，如图6（a）所示，其中两个电压初级绕组的节点定义为和，次级绕组具有两个互补电压节点，和-。 由于净噪声CM次级侧产生的电流因为两个互补的电压激励而为零，单个变压器的集总CM噪声模型可以描述如图6（b）所示。
对于高输出电流应用，由于铁心横截面积小，绕组宽度大以减小绕组损耗，因此可以假设初级绕组近似螺旋形且均匀分布[20]。从分布式网络推导的解析表达式模型如图6（a）所示，定义了初级绕组的长度L，并且通过长度为Delta;x的位置x处的初级绕组的CM噪声电流Delta;（x）表示为(1),如下所示。通过整合沿初级绕组的所有CM噪声，总CM电流可以用（2）推导得到。
(1)
(2)
如图6（b）所示，图6（a）中的分布式模型可以被集中。那么，CM电流可以用（3）表示，如下所示。通过等同于（2）和（3），可以表示为（4）。
(3)
(4)
图7.矩阵变压器的CM噪声电流模型。 （a）分布式模型 （b）集中模型
图8.施加到变压器初级绕组上的电压和相关的CM电流
图[20]中的矩阵变压器由四个元件变压器组成，每个元件变压器在初级绕组的节点处具有不同的脉动电压，如图7（a）所示。 利用式（4），可以导出每个元件变压器的集总绕组间电容; 那么集总矩阵变换器模型如图7（
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