GaN 如何在基于圖騰柱 PFC 的電源設計中實(shí)現高效率

幾乎所有現代工業(yè)系統都會(huì )用到 AC/DC 電源，它從交流電網(wǎng)中獲取電能，并將其轉化為調節良好的直流電壓傳輸到電氣設備。隨著(zhù)全球范圍內功耗的增加，AC/DC 電源轉換過(guò)程中的相關(guān)能源損耗成為電源設計人員整體能源成本計算的重要一環(huán)，對于電信和服務(wù)器等“耗電大戶(hù)”領(lǐng)域的設計人員來(lái)說(shuō)更是如此。

氮化鎵 (GaN) 可提高能效，減少 AC/DC 電源損耗，進(jìn)而有助于降低終端應用的擁有成本。例如，借助基于 GaN 的圖騰柱功率因數校正 (PFC)，即使效率增益僅為 0.8%，也能在 10 年間幫助一個(gè) 100MW 數據中心節約多達 700 萬(wàn)美元的能源成本。

選擇合適的 PFC 級拓撲

世界各地的政府法規要求在 AC/DC 電源中采用 PFC 級，以便從電網(wǎng)中獲取純凈電能。PFC 將交流輸入電流整形為與交流輸入電壓相同的形狀，從而充分提高從電網(wǎng)獲取的實(shí)際功率，使電氣設備可等效為無(wú)功功率為零的純電阻。

如圖 1 所示，傳統 PFC 拓撲包含升壓 PFC（交流線(xiàn)路后有全橋整流器）和雙升壓 PFC。傳統升壓 PFC 是一種常見(jiàn)的拓撲，包含具有較高導通損耗的前端橋式整流器。雙升壓 PFC 能夠降低導通損耗，它沒(méi)有前端橋式整流器，但卻需要額外的電感器，因而在成本和功率密度方面受到一定影響。

圖 1：PFC 拓撲。左圖：雙升壓 PFC；右圖：升壓 PFC

其他可能提高效率的拓撲包括交流開(kāi)關(guān)無(wú)橋 PFC、有源橋式 PFC 和無(wú)橋圖騰柱 PFC（如圖 2 所示）。交流開(kāi)關(guān)拓撲在導通狀態(tài)時(shí)使用兩個(gè)高頻場(chǎng)效應晶體管 (FET) 導電，在關(guān)斷狀態(tài)時(shí)使用一個(gè)碳化硅 (SiC) 二極管和一個(gè)硅二極管導電。有源橋式 PFC 用四個(gè)低頻 FET 取代連接到交流線(xiàn)路的二極管橋式整流器，但這需要額外的控制和驅動(dòng)器電路。有源橋式 PFC 在導通狀態(tài)時(shí)使用三個(gè) FET 導電，在關(guān)斷狀態(tài)時(shí)使用兩個(gè)低頻 FET 和一個(gè) SiC 二極管導電。

相比之下，圖騰柱 PFC 在導通和關(guān)斷狀態(tài)下都只用一個(gè)高頻 FET 和一個(gè)低頻硅 FET 導電，在三種拓撲中的功率損耗最低。此外，圖騰柱 PFC 所需的功率半導體元件數量較少，綜合考慮整體元件數量、效率和系統成本，它非常富有吸引力。

圖 2：各種助力效率提升的 PFC 開(kāi)關(guān)拓撲

GaN 在圖騰柱 PFC 中的作用

傳統的硅金屬氧化物半導體 FET (MOSFET) 不適合圖騰柱 PFC，原因在于 MOSFET 的體二極管具有非常高的反向恢復電荷，會(huì )導致高功率損耗和擊穿損壞的風(fēng)險。SiC 功率 MOSFET 與硅相比有了微小改進(jìn)，固有體二極管的反向恢復電荷較低。

另外，GaN 提供零反向恢復損耗，在三種技術(shù)中具有最低的總體開(kāi)關(guān)能量損耗 - 比同類(lèi) SiC MOSFET 低 50% 以上。這主要是因為 GaN 具有更高的開(kāi)關(guān)速度（100V/ns 或更高）、更低的寄生輸出電容和零反向恢復。GaN FET 中沒(méi)有體二極管，完全消除了擊穿風(fēng)險。

TI 近期與 Vertiv 就一項設計展開(kāi)合作，使其 3.5kW 整流器達到了 98% 的峰值效率，與前代硅 3.5kW 整流器 96.3% 的峰值效率相比，實(shí)現了 1.7% 的效率增益。這種效率優(yōu)勢在實(shí)際示例中體現為，使用基于 GaN 的圖騰柱 PFC 可以幫助一個(gè) 100MW 數據中心在 10 年內節省多達 1490 萬(wàn)美元的能源成本，同時(shí)還可以減少二氧化碳排放。

TI GaN 的反向恢復損耗為零，并且輸出電容和重疊損耗較低，使得臺達電子的 PFC 在數據中心的高能效服務(wù)器電源中達到高達 99.2% 的峰值效率。借助 TI GaN FET 內部的集成柵極驅動(dòng)器，FET 能夠達到高達 150V/ns 的開(kāi)關(guān)速度，降低高開(kāi)關(guān)頻率下的總體損耗，使臺達實(shí)現 80% 的功率密度提升，同時(shí)效率提高 1%。

GaN 技術(shù)在圖騰柱 PFC 設計中的優(yōu)勢毋庸置疑。越來(lái)越多的電源設備設計人員轉為采用 GaN，并且 GaN 制造商不斷發(fā)布創(chuàng )新產(chǎn)品，電信和服務(wù)器電源設計人員可以期待功率密度和能效的持續改進(jìn)。