將GaN用于功率因數校正：96% AC/DC效率創紀錄！
2021-01-22 12:55:42 EETOP以下介紹幾種工程師用來提升AC/DC轉換效率方法，這些方法包含了采用氮化鎵（GaN的AC / DC電源的新選擇。
在幾乎所有的工頻供電用電設備中，首先要做的就是AC/DC轉換。電氣工程師們熟悉這個普遍且看似簡單的任務，在許多情況下，經典的全橋整流電路就足夠了。然而，在許多高功率環境中，例如數據中心，經典的全波整流電路在功率效率方面根本無法提升效率。
經典的全波整流電路
弗吉尼亞州博伊頓的Microsoft數據中心
數據中心空前的繁榮意味著當前的效率將不再足夠。在本文中，我們將討論工程師用來提高AC/ DC電源轉換效率的技術，并重點介紹BelPower Solutions和Transphorm最近為提高使用GaNFET的數據中心的電源效率所做的努力。
功率因數校正
傳統AC / DC轉換效率低下的主要原因之一是功率因數。
功率因數是可輸出功率（以kW為單位）與總功率（以kVA為單位）之間的比率。從本質上講，該圖描述了電路的多少功率被轉換為有用的功。在理想電路中，功率因數等于1。
左圖顯示了功率因數為1的電路。右圖顯示了功率因數小于1的電路。圖片由東芝提供（PDF）
但是，在電氣工程的非理想世界中，功率因數通常要小得多。這通常是電路負載端電壓和電流之間存在明顯相位差的結果。
解決該問題的方法稱為功率因數校正（PFC）（PDF），可以采用多種形式。
PFC電路
在常規的橋式整流器中，濾波電容器在電流和電壓之間會引起相移，其中電流超前于電壓。為了解決這個問題，工程師將在電路中插入一個具有與電容器相反相位影響的電感器，以將功率因數恢復為1。
有源升壓PFC整流器電路的示例。圖片由Lazar Rozenblat提供
但是，這并不是一個完美的解決方案，因為其他功率損耗源會限制效率。例如，根據德州儀器的說法，在寬市電應用的低壓線路上，輸入電橋可以消耗大約2％的輸入功率。
圖騰柱無橋PFC
為了進一步提高AC / DC轉換的電源效率，工程師經常轉向“圖騰柱無橋”電路結構。該結構用一系列高頻MOSFET開關代替了電橋，并對其進行了控制，使其具有整流器的作用。在某些情況下，該電路甚至可以設置為升壓轉換器。
這樣，傳導損耗大大降低。
具有SiC晶體管的PFC無橋整流器。圖片由德州儀器（TI）提供
但是，該電路的問題在于，當AC輸入從正半部分變為負半部分時，相應FET的占空比也必須從0-100％改變（反之亦然）。由于FET的體二極管，硅MOSFET的反向恢復很慢，因此不能使用。
GaN供電的AC / DC電源
近日，Bel Power Solutions宣布可以使用Transphorm的GaN FET解決此問題。
將無橋圖騰極整流PFC電路與氮化鎵（GaN）場效應晶體管相結合是一種有效的解決方案。其結果是業界首款AC / DC電源達到了鈦金功率效率等級-這可能的最高效率等級。據稱，這種新型轉換器在高電壓下的主輸出為12 VDC，效率高達96％。
隨著數據中心的不斷擴展，這一消息尤為重要。隨著新的AC/ DC轉換器實現如此高的效率，未來的數據中心似乎將能夠采用類似的技術來節省服務器功耗，這似乎是有希望的。
