GaN 如何在基于圖騰柱 PFC 的電源設計中實現高效率
2023-08-04 09:46:04 德州儀器幾乎所有現代工業系統都會用到 AC/DC 電源，它從交流電網中獲取電能，并將其轉化為調節良好的直流電壓傳輸到電氣設備。隨著全球范圍內功耗的增加，AC/DC 電源轉換過程中的相關能源損耗成為電源設計人員整體能源成本計算的重要一環，對于電信和服務器等“耗電大戶”領域的設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用的擁有成本。例如，借助基于 GaN 的圖騰柱功率因數校正 (PFC)，即使效率增益僅為 0.8%，也能在 10 年間幫助一個 100MW 數據中心節約多達 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要求在 AC/DC 電源中采用 PFC 級，以便從電網中獲取純凈電能。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獲取的實際功率，使電氣設備可等效為無功功率為零的純電阻。
如圖 1 所示，傳統 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無橋 PFC、有源橋式 PFC 和無橋圖騰柱 PFC（如圖 2 所示）。交流開關拓撲在導通狀態時使用兩個高頻場效應晶體管 (FET) 導電，在關斷狀態時使用一個碳化硅 (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動器電路。有源橋式 PFC 在導通狀態時使用三個 FET 導電，在關斷狀態時使用兩個低頻 FET 和一個 SiC 二極管導電。
相比之下，圖騰柱 PFC 在導通和關斷狀態下都只用一個高頻 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量較少，綜合考慮整體元件數量、效率和系統成本，它非常富有吸引力。
圖 2：各種助力效率提升的 PFC 開關拓撲
GaN 在圖騰柱 PFC 中的作用
傳統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，在三種技術中具有最低的總體開關能量損耗 - 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，實現了 1.7% 的效率增益。這種效率優勢在實際示例中體現為，使用基于 GaN 的圖騰柱 PFC 可以幫助一個 100MW 數據中心在 10 年內節省多達 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 在數據中心的高能效服務器電源中達到高達 99.2% 的峰值效率。借助 TI GaN FET 內部的集成柵極驅動器，FET 能夠達到高達 150V/ns 的開關速度，降低高開關頻率下的總體損耗，使臺達實現 80% 的功率密度提升，同時效率提高 1%。
GaN 技術在圖騰柱 PFC 設計中的優勢毋庸置疑。越來越多的電源設備設計人員轉為采用 GaN，并且 GaN 制造商不斷發布創新產品，電信和服務器電源設計人員可以期待功率密度和能效的持續改進。
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