駐留在數(shù)據(jù)中心的大量服務(wù)器(每臺(tái)服務(wù)器都配備中央處理單元 (CPU)、圖形處理單元 (GPU) 和存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)的內(nèi)存)需要越來越多的功率。更小、更輕、更高效的電源裝置或 PSU 對于支持這種增長至關(guān)重要。PSU 的最新進(jìn)展利用氮化鎵 (GaN) 技術(shù)的固有優(yōu)勢，通過提供最高效率，從輕載到滿載條件以及出色的功率因數(shù)，獲得 80 Plus Titanium 認(rèn)證。本文介紹了一種基于 GaN 的無橋圖騰柱 (BTP) 功率因數(shù)校正 (PFC) 電路和 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器的實(shí)現(xiàn)，可實(shí)現(xiàn)高于 80 Plus Titanium 要求的滿負(fù)載效率。

無橋圖騰柱 PFC 拓?fù)?/p>

在過去的二十年中，傳統(tǒng)的 PFC 拓?fù)浣?jīng)過了一些變體。它已經(jīng)從橋二極管升壓過渡到交錯(cuò)橋二極管升壓、半無橋升壓、有源橋升壓，現(xiàn)在到無橋圖騰柱或 BTP 拓?fù)洹?/p>

在 BTP 拓?fù)渲型ǔＪ褂玫拈_關(guān)中，與硅 (Si) MOSFET 和碳化硅 (SiC) MOSFET 相比，GaN 高電子遷移率晶體管 (HEMT) 具有最大的優(yōu)勢。GaN HEMT 具有零反向恢復(fù)電荷 Q rr，有助于實(shí)現(xiàn)最高功率密度 (W/in 3 )，并提供最佳效率(50% 負(fù)載時(shí)為 98.8%)。此外，GaN 價(jià)格多年來一直在下降，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了 80 Plus Titanium 效率要求，這使基于 GaN 的 PSU 的單位密度價(jià)格最低($/(W/in 3)。

圖 1a 中的電路說明了簡化的無橋圖騰柱 PFC 拓?fù)涞母哳l分支，并比較了使用 Si MOSFET 與 GAN HEMT 作為“S1”和“S2”晶體管。由于低側(cè)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)的硬開關(guān)換向，GaN 是 BTP 拓?fù)湓谶B續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM) 下運(yùn)行的首選半導(dǎo)體。如圖 1b 所示，在低側(cè)導(dǎo)通期間，高側(cè) Si MOSFET 的體二極管反向恢復(fù)會(huì)產(chǎn)生顯著的開關(guān)損耗。由于其反向恢復(fù)電荷 (Q rr )，硅體二極管會(huì)產(chǎn)生更高的開關(guān)損耗，這是在本設(shè)計(jì)中使用硅超級(jí)結(jié) MOSFET 的主要缺點(diǎn)。相比之下，GaN 沒有反向恢復(fù)電荷，Q rr=0。這意味著從高側(cè)切換到低側(cè)時(shí)沒有反向恢復(fù)損耗。此外，非常小的輸出電荷 Q oss可在不犧牲效率的情況下實(shí)現(xiàn)更高的開關(guān)頻率。

圖 1：(a) PFC 電路與 (b) Si MOSFET 與 (c) GaN HEMT 的比較結(jié)果。

在 CCM BTP PFC 設(shè)計(jì)中，GaN HEMT 還提供優(yōu)于SiC MOSFET 的優(yōu)勢。盡管SiC MOSFET的 Q rr遠(yuǎn)小于 Si 超級(jí)結(jié) MOSFET，但 SiC MOSFET 中本征體二極管的 Q rr高度依賴于溫度。在更高的器件結(jié)溫(例如 100°C)下，SiC 體二極管仍然具有開關(guān)損耗，從而將 CCM BTP PFC 開關(guān)頻率限制為在 100 kHz 以下運(yùn)行。同樣，相比之下，GaN HEMT 的輸出電荷很小，Q oss，來自其寄生電容和與溫度無關(guān)的零反向恢復(fù)，這創(chuàng)造了顯著的設(shè)計(jì)優(yōu)勢。結(jié)溫為 100°C 時(shí)，GaN 開關(guān)損耗比 SiC 低 70% 以上，從而在 PFC 設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)更高的開關(guān)頻率能力。

由于 GaN HEMT 的這些優(yōu)勢，使用新一代 650V、50mΩ 8 x 8 PQFN 封裝 GaN 晶體管的 3 kW CCM BTP PFC 參考設(shè)計(jì)具有 98.8% 的峰值效率。這是通過低于 60°C 的開放式框架溫度和 65 kHz 的 PFC 頻率實(shí)現(xiàn)的。基于更低的熱量和更高的效率測試結(jié)果，基于 GaN 的 CCM BTP PFC 在 100 kHz 開關(guān)頻率以上顯示出更大的工作潛力。

LLC諧振轉(zhuǎn)換器

通過三個(gè)場景，可以深入了解在 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器中使用 GaN HEMT 的價(jià)值主張。這是基于最小死區(qū)時(shí)間計(jì)算，其中涉及與時(shí)間相關(guān)的有效輸出電容 C o(tr)。

在第一種情況下，如果開關(guān)頻率和死區(qū)時(shí)間保持不變，則可以使用更大的磁化電感。這導(dǎo)致初級(jí)側(cè)的磁化電流更低，死區(qū)期間的反向傳導(dǎo)損耗更低，效率更高。

第二種情況下的開關(guān)頻率與具有相同電感和死區(qū)時(shí)間的 C o(tr)成反比。由于GaN 具有較低的 C o(tr)，它提供了更高的開關(guān)頻率和較小的諧振槽，從而導(dǎo)致更高的功率密度(W/in 3)。

第三種情況具有相同的開關(guān)頻率和相同的磁化電感。GaN 晶體管與其 C o(tr)的直接關(guān)系提供了更短的死區(qū)時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān) (ZVS)，同時(shí)在死區(qū)時(shí)間內(nèi)降低相關(guān)損耗，從而提高效率。

基于 GaN 的 3 kW AC/DC PSU 設(shè)計(jì)

圖 2 中顯示的基于 GaN 的 3 kW AC/DC PSU 參考設(shè)計(jì)具有 80 Plus Titanium 額定值和 54V 輸出電壓，以支持用于數(shù)據(jù)中心的 48V 總線電壓。其 250 kHz 的諧振頻率可實(shí)現(xiàn) 98% 的效率，其最大工作頻率設(shè)置為 400 kHz。該設(shè)計(jì)的功率密度為 146 W/英寸3， 采用強(qiáng)制風(fēng)冷。

LLC 轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)包括一個(gè)全橋 LLC，每個(gè)半橋都使用一個(gè) GaN 子板、一個(gè)諧振回路、一個(gè)輔助電源板和一個(gè)微控制器板。半橋電源板包括帶散熱器的 GaN 晶體管、隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器和用于柵極驅(qū)動(dòng)電壓供應(yīng)的隔離式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。用于全橋的器件是采用 8×8 PQFN 封裝的四個(gè) 650V、50 mΩ GaN 晶體管 (GS-065-030-2-L)。輔助電源板使用 5×6 PQFN 封裝的準(zhǔn)諧振 (QR) 反激式轉(zhuǎn)換器和一個(gè) 650V、450 mΩ GaN 晶體管 (GS-065-004-1-L)。

變壓器 T r的磁化電感 L m為 75 μH。諧振電感 L r為 15 μH，諧振電容 C r為 27 nF，因此設(shè)計(jì)的諧振頻率為 250 kHz。變壓器對設(shè)計(jì)的損耗最高，接近 25%。其選擇(包括磁芯損耗)涉及在全負(fù)載條件下在高頻和高溫 (100°C) 下運(yùn)行的能力以及在 25°C 下運(yùn)行的能力，這對于輕負(fù)載效率很重要。

圖 2：具有 80 Plus Titanium 額定值的基于 GaN 的 3 kW AC/DC PSU。

如圖 3a 所示，對 AC/DC PSU 整體效率的測量表明，它在 10%、20%、50% 和 100% 負(fù)載條件下超過了 80 Plus Titanium 要求。它還提供 96% 以上的滿載效率。GaN 晶體管較低的開關(guān)損耗和較低的柵極驅(qū)動(dòng)損耗對于滿足 10% 和 20% 的輕負(fù)載要求非常重要。設(shè)計(jì)中的最高溫度出現(xiàn)在 LLC 變壓器上，溫度為 100°C。

有趣的是，BTP PFC 的 GaN 溫度為 57°C，LLC 的 GaN 溫度測量值為 78°C。這些器件具有額外的設(shè)計(jì)余量，可進(jìn)一步提高更高密度設(shè)計(jì)的頻率。

除了具有高于 0.99 的高功率因數(shù)的穩(wěn)態(tài)波形外，該設(shè)計(jì)還展示了在 PFC 階段啟動(dòng)期間沒有大浪涌電流的軟啟動(dòng)控制。LLC 級(jí)在 400 kHz 頻率下表現(xiàn)出軟啟動(dòng)，沒有高浪涌電流，并在滿載時(shí)在 250 kHz 諧振頻率下穩(wěn)定運(yùn)行。

圖 3b 顯示了對硅設(shè)計(jì)與 GaN 解決方案進(jìn)行比較的數(shù)據(jù)中心 PSU 的帕累托分析。多目標(biāo)方法提供了一種系統(tǒng)的方法來評(píng)估不同拓?fù)浠蚺渲弥械慕M件組合并選擇最佳解決方案。在組件和系統(tǒng)級(jí)別對設(shè)計(jì)選項(xiàng)進(jìn)行評(píng)估，以確定電源效率和功率密度。

圖 3：(a) PFC+LLC PSU 滿足 80 Plus Titanium 要求。(b) GaN 和 Si 組件和設(shè)計(jì)的帕累托分析表明，只有 GaN 才能滿足 80+ 鈦的要求。

該分析證明，只有 GaN 解決方案才能提供高于 80 W/in 3的 80 Plus Titanium 效率和功率密度，這與圖 3a 中與 GaN PFC+LLC PSU 相關(guān)的設(shè)計(jì)目標(biāo)和數(shù)據(jù)一致。

概括

本文中描述的使用 GaN 晶體管的 3 kW AC/DC PSU 參考設(shè)計(jì)可以輕松實(shí)現(xiàn) 80 Plus Titanium 認(rèn)證所需的 50% 和 100% 負(fù)載下的高效率——并滿足更具挑戰(zhàn)性的 10% 和 20% 輕負(fù)載效率要求. 對于高于 80W/in 3 的更高功率密度，參考設(shè)計(jì)可能會(huì)刪除 PFC 和 LLC 部分的重復(fù)大容量電容器，同時(shí)仍以 80 Plus Titanium 效率為目標(biāo)。機(jī)械方面(冷卻風(fēng)扇、散熱器和無源元件)的節(jié)省空間的 3D 機(jī)械設(shè)計(jì)可以提高功率密度。GaN Systems 提供了更多信息，包括更緊湊的 PFC 設(shè)計(jì)，以進(jìn)一步提高功率密度。

審核編輯：湯梓紅