PFC 圖騰柱架構(gòu)和 GaN 相結(jié)合，實現(xiàn)高功率和高效率

開放計算項目 (OCP) 由 Facebook 發(fā)起，旨在通過在感興趣的公司之間公開共享數(shù)據(jù)中心解決方案和構(gòu)建模塊來減少超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的 OPEX 和 CAPEX。Google 于 2016 年加入 OCP，Bel Power Solutions自 OCP 開始以來一直提供符合 OCP 的電源解決方案。

隨著云數(shù)據(jù)中心開始朝著物聯(lián)網(wǎng)、5G、智能家居、智能城市、自動駕駛汽車部署的預(yù)期快速增長，谷歌、Facebook 和其他此類公司正試圖擠壓盡可能多的設(shè)備機架他們可以進(jìn)入這些新的云數(shù)據(jù)中心。新的解決方案正在出現(xiàn)，尤其是在電源管理領(lǐng)域。最近引起我注意的其中一個解決方案是 Bel Power 的TET3000，這是一種基于 GaN、DSP 控制、3000W AC-DC、PFC 校正的 DC-DC 電源，在設(shè)計中使用了Transphorm的TPH3205WSB、650V Cascode GaN FET。

我最近與 Transphorm 的首席運營官 Primit Parikh 和 Bel Power Solution 的首席技術(shù)官 Alain Chapuis 進(jìn)行了交談，以深入了解在 TET3000(基于 GaN 的 AC-DC)中開發(fā)新電源設(shè)計架構(gòu)的協(xié)同努力電源使用圖騰柱功率因數(shù)校正拓?fù)洹?

超越鈦

我們討論了效率為 96% 的鈦金屬電源，這是這里所需要的，但未來我們需要超越這一點，即將推出 48V 解決方案。

PFC 拓?fù)涞淖钚職v史

通過與 Parikh 和 Chapuis 的討論，我獲得了關(guān)于功率因數(shù)校正 (PFC) 近期發(fā)展的重要歷史教訓(xùn)。我們在使用 SiC 二極管橋和在連續(xù)電流模式 (CCM) 下運行的硅開關(guān)架構(gòu)的經(jīng)典 PFC 級中開始時的效率為 98.2%。這種設(shè)計的 SiC 電橋中存在兩個二極管的壓降損耗。由于紋波電流有限，可以看到平均 EMC 性能。

接下來，我們繼續(xù)改進(jìn)了效率為 98.8% 的 PFC 設(shè)計，其中有一個由硅功率 MOSFET 組成的有源橋;這種架構(gòu)有助于通過使用這種較低 R DSON解決方案來消除橋式整流器壓降損耗 。缺點是需要高于正常電壓的 FET 來處理電壓浪涌。

討論了使用硅 MOSFET 和零電壓開關(guān) (ZVS) 的 99% 效率圖騰柱 PFC 級設(shè)計作為改進(jìn)的下一步。在這里，我們?nèi)匀挥懈叻逯惦娏鳎@會導(dǎo)致高傳導(dǎo)損耗，并且需要更大的硅 MOSFET，這會限制這種架構(gòu)的更高功率能力。這種類型的設(shè)計需要在臨界導(dǎo)通模式下運行，因為高邊開關(guān)無法在負(fù)載下切換。噪聲在這里是個問題，因為我們需要用于鋸齒波形的濾波器;我們在這里也失去了效率。要使功率水平超過 750W，需要采用多相方法，但開關(guān)頻率的同步可能會導(dǎo)致更高的循環(huán)電流。Bel Power 在 2011 年展示了這種架構(gòu)。

最后，我們將之前圖騰柱架構(gòu)中的硅 MOSFET 替換為高速半橋中的 GaN FET。硅 MOSFET 仍用于橋的低速半部分。我們使用連續(xù)導(dǎo)通模式，在開關(guān)/二極管中不會出現(xiàn)少數(shù)載流子問題，從而實現(xiàn)單相 3 kW 設(shè)計，效率為 99.1%。這是 Bel Power TET3000-12-069RA 中的電源設(shè)計架構(gòu)。

與之前的功率元件相比，GaN FET 具有許多優(yōu)勢，例如 52 mΩ 的低 R DSON 、更低的寄生電容、150A 的高峰值電流、低電壓降等。

TET3000 之所以重要有幾個原因，其中最重要的是它再次證明了人們對高壓 (HV) GaN 作為下一代功率半導(dǎo)體解決方案的信心不斷增強。

效率

圖騰柱 PFC 級有一項正在申請專利的電流傳感技術(shù)，并且在大約 0.5% 的設(shè)計余量下實現(xiàn)了出色的鈦效率。

TET3000-12-069RA 架構(gòu)和框圖

TET3000-12-069RA 采用 DSP 控制的高效前端電源。它使用諧振軟開關(guān)技術(shù)和交錯式動力系統(tǒng)來降低組件應(yīng)力，從而提高系統(tǒng)可靠性和非常高的效率。

該設(shè)計具有較寬的輸入工作電壓范圍和輸出功率相對于環(huán)境溫度的最小線性降額，并且采用風(fēng)扇冷卻，適用于具有匹配氣流路徑的服務(wù)器集成。

PFC 級使用最先進(jìn)的數(shù)字信號處理算法進(jìn)行數(shù)字控制，以確保在較寬的工作范圍內(nèi)實現(xiàn)最佳效率和單位功率因數(shù)。

DC-DC 級使用軟開關(guān)諧振技術(shù)和同步整流。輸出端的有源 OR-ing 器件可確保沒有反向負(fù)載電流，并使電源非常適合在冗余電源系統(tǒng)中運行。始終開啟的 +12V 待機輸出為外部配電和管理控制器供電。它采用有源 OR-ing 裝置提供保護，可提供最大的可靠性。

可以通過具有 PMBus 協(xié)議的I 2 C 通信接口監(jiān)控和控制電源(即風(fēng)扇速度設(shè)定值) 。它允許對電源進(jìn)行全面監(jiān)控，包括輸入和輸出電壓、電流、功率和內(nèi)部溫度。相同的 I 2 C 總線支持引導(dǎo)加載程序，以允許對 DSP 控制器中的固件進(jìn)行現(xiàn)場更新。

冷卻由風(fēng)扇管理，由 DSP 控制器控制。風(fēng)扇速度會根據(jù)實際電源需求和電源溫度自動調(diào)整，并可通過 I 2 C 總線覆蓋。

隨著我們向云服務(wù)器、5G 和物聯(lián)網(wǎng)邁進(jìn)，將這種 Bel Power 圖騰柱 PFC 架構(gòu)與 Transphorm 的 Cascode GaN FET 功率元件相結(jié)合的藝術(shù)是朝著電力電子的激動人心的未來邁出的又一步，達(dá)到了新的高度。

隨著我們在電子技術(shù)的新千年中前進(jìn)，我希望看到更多令人興奮的組件和設(shè)計架構(gòu)創(chuàng)新。