數(shù)據(jù)中心中數(shù)量龐大且不斷增加的服務(wù)器，每個(gè)都配備中央處理單元 （CPU）、圖形處理單元 （GPU） 和能夠存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)的內(nèi)存，因此需要增加功率。為了支持這種擴(kuò)展，需要更小、更輕、更高效的電源單元或 PSU。PSU 的最新進(jìn)展利用氮化鎵 （GaN） 技術(shù)的固有優(yōu)勢(shì)，通過(guò)提供從輕負(fù)載到滿負(fù)載的最高效率以及良好的功率因數(shù)，達(dá)到 80 Plus Titanium 認(rèn)證。

本報(bào)告討論了基于 GaN 的無(wú)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)，其滿載效率超過(guò)了 80 Plus Titanium 標(biāo)準(zhǔn)。

無(wú)橋圖騰柱 PFC 拓?fù)?/p>

在過(guò)去的二十年里，經(jīng)典的 PFC 結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)了一些修改。從橋式二極管升壓到交錯(cuò)橋式二極管升壓、半無(wú)橋升壓、有源橋式升壓，以及現(xiàn)在的無(wú)橋圖騰柱或 BTP 拓?fù)洹?/p>

與硅 （Si） MOSFET 和碳化硅 （SiC） MOSFET 相比，GaN 高電子遷移率晶體管 （HEMT） 在 BTP 拓?fù)渲芯哂凶畲蟮膬?yōu)勢(shì)。GaN HEMT 沒(méi)有反向恢復(fù)電荷 Qrr，并提供最高的功率密度 （W/in3） 和效率（在 50% 負(fù)載下為 98.8%）。

圖 1a 顯示了簡(jiǎn)化的無(wú)橋圖騰柱 PFC 拓?fù)涞母哳l支路，比較了使用 Si MOSFET 與 GAN HEMT 作為“S1”和“S2”晶體管。由于低側(cè)開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)的硬開(kāi)關(guān)換向，GaN 是具有 BTP 架構(gòu)在連續(xù)導(dǎo)通模式 （CCM） 下運(yùn)行的優(yōu)選半導(dǎo)體。如圖 1b 所示，高側(cè) Si MOSFET 的體二極管反向恢復(fù)會(huì)在低側(cè)開(kāi)啟期間導(dǎo)致顯著的開(kāi)關(guān)損耗。硅體二極管由于其反向恢復(fù)電荷 （Qrr） 而產(chǎn)生更高的開(kāi)關(guān)損耗，這是在這種配置中采用硅超結(jié) MOSFET 的主要缺點(diǎn)。

在 CCM BTP PFC 架構(gòu)中，GaN HEMT 的性能也優(yōu)于 SiC MOSFET。盡管 SiC MOSFET 的 Qrr 遠(yuǎn)低于 Si 超級(jí)結(jié) MOSFET，但 SiC MOSFET 的本征體二極管的 Qrr 與溫度有關(guān)。SiC 體二極管在較高的器件結(jié)溫（例如 100°C）下仍會(huì)遭受開(kāi)關(guān)損耗，從而將 CCM BTP PFC 開(kāi)關(guān)頻率限制在 100 kHz 以下。相比之下，GaN HEMT 由于其寄生電容而具有適中的輸出電荷 Qoss，以及不受溫度影響的 0% 反向恢復(fù)，從而提供了巨大的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)。

由于 GaN HEMT 的所有這些主要優(yōu)勢(shì)，使用新一代 650V、50 m 8 x 8 PQFN 封裝 GaN 晶體管的 3 kW CCM BTP PFC 參考設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn) 98.8% 的峰值效率。這是通過(guò)使用 65 kHz 的 PFC 頻率和低于 60°C 的開(kāi)放式框架溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)的。基于 GaN 的 CCM BTP PFC 在 100 kHz 開(kāi)關(guān)頻率下運(yùn)行，基于降低的熱量和更高的效率測(cè)試結(jié)果顯示出更大的前景。

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

LLC諧振轉(zhuǎn)換器

在三種情況下探討了在 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器中采用 GaN HEMT 的價(jià)值主張。這是基于與時(shí)間相關(guān)的有效輸出電容 Co 和最小死區(qū)時(shí)間計(jì)算 （tr）。

如果在第一種情況下開(kāi)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。結(jié)果，初級(jí)側(cè)勵(lì)磁電流更小，死區(qū)期間的反向傳導(dǎo)損耗更低，效率更高。

在電感和死區(qū)時(shí)間相同的情況下，第二種情況下的開(kāi)關(guān)頻率與 Co（tr） 成反比。

在電感和死區(qū)時(shí)間相同的情況下，第二種情況下的開(kāi)關(guān)頻率與 Co（tr） 成反比。GaN 具有較低的 Co（tr），因此它可以以較小的諧振回路以較高的頻率進(jìn)行開(kāi)關(guān)，從而產(chǎn)生較高的功率密度 （W/in3）。

第三種情況的開(kāi)關(guān)頻率和勵(lì)磁電感相同。GaN 晶體管與其 Co（tr） 之間的直接相互作用允許更短的死區(qū)時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān) （ZVS），同時(shí)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 顯示了一個(gè)基于 GaN 的 3 kW AC/DC PSU，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。諧振頻率為 250 kHz，最大工作頻率為 400 kHz，效率為 98%。采用強(qiáng)制風(fēng)冷，該設(shè)計(jì)的功率密度為 146 W/inch3。

一個(gè)全橋 LLC，每個(gè)半橋都有一個(gè) GaN 子板、一個(gè)諧振回路、一個(gè)輔助電源板和一個(gè)微控制器板構(gòu)成 LLC 轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)。帶有散熱器的 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)換器都包含在半橋電源板上。

全橋采用 88 PQFN 封裝中的四個(gè) 650V、50 m GaN 晶體管 （GS-065-030-2-L）。輔助電源板上使用了一個(gè)準(zhǔn)諧振 （QR） 反激式轉(zhuǎn)換器和一個(gè) 650V、450 m 的 GaN 晶體管 （GS-065-004-1-L），采用 56 PQFN 封裝。

變壓器 Tr 的磁化電感 Lm 為 75 H。諧振電感 Lr 為 15 μH，諧振電容 Cr 為 27 nF，因此設(shè)計(jì)的諧振頻率為 250 kHz。變壓器占設(shè)計(jì)損耗的 25% 以上。

它的選擇包括磁芯損耗，包括在滿載情況下在高頻和高溫 （100°C） 下運(yùn)行的能力，以及在輕載效率下在 25°C 下運(yùn)行的能力。

圖 2：基于 GaN 的 3 kW AC/DC PSU，鈦等級(jí)為 80 Plus。

如圖 3a 所示，AC/DC PSU 的整體效率在 10%、20%、50% 和 100% 負(fù)載條件下超過(guò)了 80 Plus Titanium 的要求。它還具有超過(guò) 96% 的滿載效率。降低 GaN 晶體管的開(kāi)關(guān)損耗和柵極驅(qū)動(dòng)損耗對(duì)于實(shí)現(xiàn) 10% 和 20% 的輕負(fù)載標(biāo)準(zhǔn)至關(guān)重要。在 100°C 的溫度下，LLC 變壓器達(dá)到了設(shè)計(jì)中的最高溫度。

BTP PFC 的 GaN 溫度為 57°C，而 LLC 的 GaN 溫度為 78°C。這些設(shè)備有更多的設(shè)計(jì)空間，允許它們進(jìn)一步提高頻率以實(shí)現(xiàn)更高密度的設(shè)計(jì)。

該設(shè)計(jì)顯示了在 PFC 階段啟動(dòng)時(shí)沒(méi)有大浪涌電流的軟啟動(dòng)控制，此外還具有高于 0.99 的高功率因數(shù)的穩(wěn)態(tài)波形。LLC 級(jí)在 250 kHz 諧振頻率下在滿載和 400 kHz 頻率下軟啟動(dòng)時(shí)表現(xiàn)出穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，沒(méi)有高浪涌電流。

圖 3b 描繪了數(shù)據(jù)中心 PSU Pareto 分析，將硅設(shè)計(jì)與 GaN 解決方案進(jìn)行了比較。多目標(biāo)方法是一種系統(tǒng)地評(píng)估各種拓?fù)浠蚺渲弥械慕M件組合并選擇最佳選項(xiàng)的方法。

為了估計(jì)功率效率和密度，我們?cè)诮M件和系統(tǒng)級(jí)別對(duì)設(shè)計(jì)解決方案進(jìn)行了評(píng)估。

圖 3：（a） PFC+LLC PSU 符合 80 Plus Titanium 要求。（b） 對(duì) GaN 和 Si 組件和設(shè)計(jì)的 Pareto 分析表明，只有 GaN 才能滿足 80+ 鈦的要求。

根據(jù)圖 3a 中與 GaN PFC+LLC PSU 相關(guān)的設(shè)計(jì)目標(biāo)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，只有 GaN 解決方案才能提供 80 Plus Titanium 效率和 80 W/in3 以上的功率密度。

結(jié)論

本文介紹的采用 GaN 晶體管的 3 kW AC/DC PSU 的參考設(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 - 以及更困難的 10% 和 20% 光負(fù)載效率標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于大于 80W/in3 的功率密度，該參考設(shè)計(jì)可能能夠消除 PFC 和 LLC 部件的重復(fù)大容量電容器，同時(shí)保持 80 Plus Titanium 效率。通過(guò)對(duì)機(jī)械部件（冷卻風(fēng)扇、散熱器和無(wú)源元件）使用節(jié)省空間的 3D 機(jī)械設(shè)計(jì)來(lái)提高功率密度。

審核編輯：郭婷