GaN如何在基于圖騰柱PFC的電源設(shè)計中實現(xiàn)高效率

幾乎所有現(xiàn)代工業(yè)系統(tǒng)都會用到 AC/DC 電源，它從交流電網(wǎng)中獲取電能，并將其轉(zhuǎn)化為調(diào)節(jié)良好的直流電壓傳輸?shù)诫姎庠O(shè)備。隨著全球范圍內(nèi)功耗的增加，AC/DC 電源轉(zhuǎn)換過程中的相關(guān)能源損耗成為電源設(shè)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”領(lǐng)域的設(shè)計人員來說更是如此。

氮化鎵 (GaN) 可提高能效，減少 AC/DC 電源損耗，進而有助于降低終端應(yīng)用的擁有成本。例如，借助基于 GaN 的圖騰柱功率因數(shù)校正 (PFC)，即使效率增益僅為 0.8%，也能在 10 年間幫助一個 100MW 數(shù)據(jù)中心節(jié)約多達 700 萬美元的能源成本。

選擇合適的 PFC 級拓撲

世界各地的政府法規(guī)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)獲取的實際功率，使電氣設(shè)備可等效為無功功率為零的純電阻。

如圖 1 所示，傳統(tǒng) PFC 拓撲包含升壓 PFC（交流線路后有全橋整流器）和雙升壓 PFC。傳統(tǒng)升壓 PFC 是一種常見的拓撲，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關(guān)無橋 PFC、有源橋式 PFC 和無橋圖騰柱 PFC（如圖 2 所示）。交流開關(guān)拓撲在導通狀態(tài)時使用兩個高頻場效應(yīng)晶體管 (FET) 導電，在關(guān)斷狀態(tài)時使用一個碳化硅 (SiC) 二極管和一個硅二極管導電。有源橋式 PFC 用四個低頻 FET 取代連接到交流線路的二極管橋式整流器，但這需要額外的控制和驅(qū)動器電路。有源橋式 PFC 在導通狀態(tài)時使用三個 FET 導電，在關(guān)斷狀態(tài)時使用兩個低頻 FET 和一個 SiC 二極管導電。

相比之下，圖騰柱 PFC 在導通和關(guān)斷狀態(tài)下都只用一個高頻 FET 和一個低頻硅 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(shù)量較少，綜合考慮整體元件數(shù)量、效率和系統(tǒng)成本，它非常富有吸引力。

圖 2：各種助力效率提升的 PFC 開關(guān)拓撲

GaN 在圖騰柱 PFC 中的作用

傳統(tǒng)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，會導致高功率損耗和擊穿損壞的風險。SiC 功率 MOSFET 與硅相比有了微小改進，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關(guān)能量損耗 - 比同類 SiC MOSFET 低 50% 以上。這主要是因為 GaN 具有更高的開關(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 中沒有體二極管，完全消除了擊穿風險。

TI 近期與 Vertiv 就一項設(shè)計展開合作，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，實現(xiàn)了 1.7% 的效率增益。這種效率優(yōu)勢在實際示例中體現(xiàn)為，使用基于 GaN 的圖騰柱 PFC 可以幫助一個 100MW 數(shù)據(jù)中心在 10 年內(nèi)節(jié)省多達 1490 萬美元的能源成本，同時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(shù)據(jù)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(nèi)部的集成柵極驅(qū)動器，F(xiàn)ET 能夠達到高達 150V/ns 的開關(guān)速度，降低高開關(guān)頻率下的總體損耗，使臺達實現(xiàn) 80% 的功率密度提升，同時效率提高 1%。

GaN 技術(shù)在圖騰柱 PFC 設(shè)計中的優(yōu)勢毋庸置疑。越來越多的電源設(shè)備設(shè)計人員轉(zhuǎn)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(shè)計人員可以期待功率密度和能效的持續(xù)改進。