将GaN用于功率因数校正:96% AC/DC效率创纪录!

2021-01-22 12:55:42 来源:EETOP
随着全球数据中心规模的不断扩大,对提高用电效率的需求越来越高。数据中心中约50%的电力浪费在转换、分配或热管理上。因此进一步提升AC/DC的转换效率成为现实需求。

以下介绍几种工程师用来提升AC/DC转换效率方法,这些方法包含了采用氮化镓(GaN的AC / DC电源的新选择。 

在几乎所有的工频供电用电设备中,首先要做的就是AC/DC转换。电气工程师们熟悉这个普遍且看似简单的任务,在许多情况下,经典的全桥整流电路就足够了。然而,在许多高功率环境中,例如数据中心,经典的全波整流电路在功率效率方面根本无法提升效率。

经典的全波整流电路  


弗吉尼亚州博伊顿的Microsoft数据中心 

数据中心空前的繁荣意味着当前的效率将不再足够。在本文中,我们将讨论工程师用来提高AC/ DC电源转换效率的技术,并重点介绍BelPower Solutions和Transphorm最近为提高使用GaNFET的数据中心的电源效率所做的努力。  

功率因数校正 

传统AC / DC转换效率低下的主要原因之一是功率因数。

功率因数是可输出功率(以kW为单位)与总功率(以kVA为单位)之间的比率。从本质上讲,该图描述了电路的多少功率被转换为有用的功。在理想电路中,功率因数等于1。  

 

左图显示了功率因数为1的电路。右图显示了功率因数小于1的电路。图片由东芝提供(PDF) 

但是,在电气工程的非理想世界中,功率因数通常要小得多。这通常是电路负载端电压和电流之间存在明显相位差的结果。 

解决该问题的方法称为功率因数校正(PFC)(PDF),可以采用多种形式。  

PFC电路 

在常规的桥式整流器中,滤波电容器在电流和电压之间会引起相移,其中电流超前于电压。为了解决这个问题,工程师将在电路中插入一个具有与电容器相反相位影响的电感器,以将功率因数恢复为1。  

 

有源升压PFC整流器电路的示例。图片由Lazar Rozenblat提供 

但是,这并不是一个完美的解决方案,因为其他功率损耗源会限制效率。例如,根据德州仪器的说法,在宽市电应用的低压线路上,输入电桥可以消耗大约2%的输入功率。 

图腾柱无桥PFC 

为了进一步提高AC / DC转换的电源效率,工程师经常转向“图腾柱无桥”电路结构。该结构用一系列高频MOSFET开关代替了电桥,并对其进行了控制,使其具有整流器的作用。在某些情况下,该电路甚至可以设置为升压转换器。

这样,传导损耗大大降低。  

具有SiC晶体管的PFC无桥整流器。图片由德州仪器(TI)提供 

但是,该电路的问题在于,当AC输入从正半部分变为负半部分时,相应FET的占空比也必须从0-100%改变(反之亦然)。由于FET的体二极管,硅MOSFET的反向恢复很慢,因此不能使用。  

GaN供电的AC / DC电源

近日,Bel Power Solutions宣布可以使用Transphorm的GaN FET解决此问题。 

将无桥图腾极整流PFC电路与氮化镓(GaN)场效应晶体管相结合是一种有效的解决方案。其结果是业界首款AC / DC电源达到了钛金功率效率等级-这可能的最高效率等级。据称,这种新型转换器在高电压下的主输出为12 VDC,效率高达96%。 

GaN供电的TET系列的基本规格。图片由Transphorm提供

随着数据中心的不断扩展,这一消息尤为重要。随着新的AC/ DC转换器实现如此高的效率,未来的数据中心似乎将能够采用类似的技术来节省服务器功耗,这似乎是有希望的。 

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