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PFC 图腾柱架构和 GaN 相结合，实现高功率和高效率

时间：2022-08-07 10:20:02

关键字： PFC 图腾柱架构 GaN

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[导读]开放计算项目 (OCP) 由 Facebook 发起，旨在通过在感兴趣的公司之间公开共享数据中心解决方案和构建模块来减少超大规模数据中心的 OPEX 和 CAPEX。Google 于 2016 年加入 OCP，Bel Power Solutions自 OCP 开始以来一直提供符合 OCP 的电源解决方案。

开放计算项目 (OCP) 由 Facebook 发起，旨在通过在感兴趣的公司之间公开共享数据中心解决方案和构建模块来减少超大规模数据中心的 OPEX 和 CAPEX。Google 于 2016 年加入 OCP，Bel Power Solutions自 OCP 开始以来一直提供符合 OCP 的电源解决方案。

随着云数据中心开始朝着物联网、5G、智能家居、智能城市、自动驾驶汽车部署的预期快速增长，谷歌、Facebook 和其他此类公司正试图挤压尽可能多的设备机架他们可以进入这些新的云数据中心。新的解决方案正在出现，尤其是在电源管理领域。最近引起我注意的其中一个解决方案是 Bel Power 的TET3000，这是一种基于 GaN、DSP 控制、3000W AC-DC、PFC 校正的 DC-DC 电源，在设计中使用了Transphorm的TPH3205WSB、650V Cascode GaN FET。

我最近与 Transphorm 的首席运营官 Primit Parikh 和 Bel Power Solution 的首席技术官 Alain Chapuis 进行了交谈，以深入了解在 TET3000(基于 GaN 的 AC-DC)中开发新电源设计架构的协同努力电源使用图腾柱功率因数校正拓扑。

超越钛

我们讨论了效率为 96% 的钛金属电源，这是这里所需要的，但未来我们需要超越这一点，即将推出 48V 解决方案。

PFC 拓扑的最新历史

通过与 Parikh 和 Chapuis 的讨论，我获得了关于功率因数校正 (PFC) 近期发展的重要历史教训。我们在使用 SiC 二极管桥和在连续电流模式 (CCM) 下运行的硅开关架构的经典 PFC 级中开始时的效率为 98.2%。这种设计的 SiC 电桥中存在两个二极管的压降损耗。由于纹波电流有限，可以看到平均 EMC 性能。

接下来，我们继续改进了效率为 98.8% 的 PFC 设计，其中有一个由硅功率 MOSFET 组成的有源桥;这种架构有助于通过使用这种较低 R DSON解决方案来消除桥式整流器压降损耗。缺点是需要高于正常电压的 FET 来处理电压浪涌。

讨论了使用硅 MOSFET 和零电压开关 (ZVS) 的 99% 效率图腾柱 PFC 级设计作为改进的下一步。在这里，我们仍然有高峰值电流，这会导致高传导损耗，并且需要更大的硅 MOSFET，这会限制这种架构的更高功率能力。这种类型的设计需要在临界导通模式下运行，因为高边开关无法在负载下切换。噪声在这里是个问题，因为我们需要用于锯齿波形的滤波器;我们在这里也失去了效率。要使功率水平超过 750W，需要采用多相方法，但开关频率的同步可能会导致更高的循环电流。Bel Power 在 2011 年展示了这种架构。

最后，我们将之前图腾柱架构中的硅 MOSFET 替换为高速半桥中的 GaN FET。硅 MOSFET 仍用于桥的低速半部分。我们使用连续导通模式，在开关/二极管中不会出现少数载流子问题，从而实现单相 3 kW 设计，效率为 99.1%。这是 Bel Power TET3000-12-069RA 中的电源设计架构。

与之前的功率元件相比，GaN FET 具有许多优势，例如 52 mΩ 的低 R DSON 、更低的寄生电容、150A 的高峰值电流、低电压降等。

TET3000 之所以重要有几个原因，其中最重要的是它再次证明了人们对高压 (HV) GaN 作为下一代功率半导体解决方案的信心不断增强。

效率

图腾柱 PFC 级有一项正在申请专利的电流传感技术，并且在大约 0.5% 的设计余量下实现了出色的钛效率。

TET3000-12-069RA 架构和框图

TET3000-12-069RA 采用 DSP 控制的高效前端电源。它使用谐振软开关技术和交错式动力系统来降低组件应力，从而提高系统可靠性和非常高的效率。

该设计具有较宽的输入工作电压范围和输出功率相对于环境温度的最小线性降额，并且采用风扇冷却，适用于具有匹配气流路径的服务器集成。

PFC 级使用最先进的数字信号处理算法进行数字控制，以确保在较宽的工作范围内实现最佳效率和单位功率因数。

DC-DC 级使用软开关谐振技术和同步整流。输出端的有源 OR-ing 器件可确保没有反向负载电流，并使电源非常适合在冗余电源系统中运行。始终开启的 +12V 待机输出为外部配电和管理控制器供电。它采用有源 OR-ing 装置提供保护，可提供最大的可靠性。

可以通过具有 PMBus 协议的I 2 C 通信接口监控和控制电源(即风扇速度设定值) 。它允许对电源进行全面监控，包括输入和输出电压、电流、功率和内部温度。相同的 I 2 C 总线支持引导加载程序，以允许对 DSP 控制器中的固件进行现场更新。

冷却由风扇管理，由 DSP 控制器控制。风扇速度会根据实际电源需求和电源温度自动调整，并可通过 I 2 C 总线覆盖。

随着我们向云服务器、5G 和物联网迈进，将这种 Bel Power 图腾柱 PFC 架构与 Transphorm 的 Cascode GaN FET 功率元件相结合的艺术是朝着电力电子的激动人心的未来迈出的又一步，达到了新的高度。