GaN 如何在基于图腾柱 PFC 的电源设计中实现高效率

2023-08-04 09:46:04 德州仪器

几乎所有现代工业系统都会用到 AC/DC 电源,它从交流电网中获取电能,并将其转化为调节良好的直流电压传输到电气设备。随着全球范围内功耗的增加,AC/DC 电源转换过程中的相关能源损耗成为电源设计人员整体能源成本计算的重要一环,对于电信和服务器等“耗电大户”领域的设计人员来说更是如此。

氮化镓 (GaN) 可提高能效,减少 AC/DC 电源损耗,进而有助于降低终端应用的拥有成本。例如,借助基于 GaN 的图腾柱功率因数校正 (PFC),即使效率增益仅为 0.8%,也能在 10 年间帮助一个 100MW 数据中心节约多达 700 万美元的能源成本。

 

选择合适的 PFC 级拓扑

世界各地的政府法规要求在 AC/DC 电源中采用 PFC 级,以便从电网中获取纯净电能。PFC 将交流输入电流整形为与交流输入电压相同的形状,从而充分提高从电网获取的实际功率,使电气设备可等效为无功功率为零的纯电阻。

如图 1 所示,传统 PFC 拓扑包含升压 PFC(交流线路后有全桥整流器)和双升压 PFC。传统升压 PFC 是一种常见的拓扑,包含具有较高导通损耗的前端桥式整流器。双升压 PFC 能够降低导通损耗,它没有前端桥式整流器,但却需要额外的电感器,因而在成本和功率密度方面受到一定影响。

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 1PFC 拓扑。左图:双升压 PFC;右图:升压 PFC 

其他可能提高效率的拓扑包括交流开关无桥 PFC、有源桥式 PFC 和无桥图腾柱 PFC(如图 2 所示)。交流开关拓扑在导通状态时使用两个高频场效应晶体管 (FET) 导电,在关断状态时使用一个碳化硅 (SiC) 二极管和一个硅二极管导电。有源桥式 PFC 用四个低频 FET 取代连接到交流线路的二极管桥式整流器,但这需要额外的控制和驱动器电路。有源桥式 PFC 在导通状态时使用三个 FET 导电,在关断状态时使用两个低频 FET 和一个 SiC 二极管导电。

相比之下,图腾柱 PFC 在导通和关断状态下都只用一个高频 FET 和一个低频硅 FET 导电,在三种拓扑中的功率损耗最低。此外,图腾柱 PFC 所需的功率半导体元件数量较少,综合考虑整体元件数量、效率和系统成本,它非常富有吸引力。

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 2:各种助力效率提升的 PFC 开关拓扑

 

GaN 在图腾柱 PFC 中的作用

传统的硅金属氧化物半导体 FET (MOSFET) 不适合图腾柱 PFC,原因在于 MOSFET 的体二极管具有非常高的反向恢复电荷,会导致高功率损耗和击穿损坏的风险。SiC 功率 MOSFET 与硅相比有了微小改进,固有体二极管的反向恢复电荷较低。

另外,GaN 提供零反向恢复损耗,在三种技术中具有最低的总体开关能量损耗 - 比同类 SiC MOSFET  50% 以上。这主要是因为 GaN 具有更高的开关速度(100V/ns 或更高)、更低的寄生输出电容和零反向恢复。GaN FET 中没有体二极管,完全消除了击穿风险。

TI 近期与 Vertiv 就一项设计展开合作,使其 3.5kW 整流器达到了 98% 的峰值效率,与前代硅 3.5kW 整流器 96.3% 的峰值效率相比,实现了 1.7% 的效率增益。这种效率优势在实际示例中体现为,使用基于 GaN 的图腾柱 PFC 可以帮助一个 100MW 数据中心在 10 年内节省多达 1490 万美元的能源成本,同时还可以减少二氧化碳排放。

TI GaN 的反向恢复损耗为零,并且输出电容和重叠损耗较低,使得台达电子 PFC 在数据中心的高能效服务器电源中达到高达 99.2% 的峰值效率。借助 TI GaN FET 内部的集成栅极驱动器,FET 能够达到高达 150V/ns 的开关速度,降低高开关频率下的总体损耗,使台达实现 80% 的功率密度提升,同时效率提高 1%

GaN 技术在图腾柱 PFC 设计中的优势毋庸置疑。越来越多的电源设备设计人员转为采用 GaN,并且 GaN 制造商不断发布创新产品,电信和服务器电源设计人员可以期待功率密度和能效的持续改进。

 

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关键词: GaN 图腾柱 PFC

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