結合PFC圖騰柱架構和GaN以實現高功率

shuszhao

近年來，物聯網、智慧家居、智慧城市、自動駕駛汽車等領域在快速增長，現在雲端資料中心也在步其後塵，開始迅速成長。Google、Facebook等公司試圖將盡可能多的設備部署進新的雲端資料中心，新的解決方案正在出現，特別是在電源管理領域。


由Facebook主導的開放運算專案(OCP)，透過在感興趣的公司之間公開分享資料中心方案和構建模組，以努力降低超大資料中心的運營和資本支出。Google在2016年時宣佈加入OCP，而自OCP成立以來，Bel Power Solutions一直在為該專案提供電源解決方案。
近年來，物聯網(IoT)、智慧家居、智慧城市、自動駕駛汽車等領域在快速增長著，現在雲端資料中心也在步其後塵，開始迅速成長。Google、Facebook等公司試圖將盡可能多的設備部署進新的雲端資料中心，新的解決方案正在出現，特別是在電源管理領域。最近有一個此類方案在吸引著我，那就是Bel Power的TET3000，一個基於氮化鎵(GaN)、DSP控制的3,000W AC-DC、功率因素校正(PFC)的DC-DC電源，該設計使用了Transphorm的TPH3205WSB(650V垂直級聯GaN FET)。
我最近與Transphorm營運長Primit Parikh和技術長Alain Chapuis進行交談，獲得了這個基於GaN、採用圖騰柱功率因素校正(PFC)拓撲架構的AC-DC電源TET3000的詳細資訊，以及開發一個新的電源設計架構的設計挑戰。
本文以Bel Power效率為96%的鈦電源為例進行討論，不過，很快48V方案將會超過它，具有更高的效率。


PFC拓撲的近期歷史

在與Parikh和Chapuis的討論中，我獲得了有關PFC拓撲近期發展的豐富知識。先從效率為98.2%的典型PFC拓撲開始，它採用了碳化矽(SiC)二極體橋和以連續電流模式(CCM)運行的矽開關架構。在該設計中，SiC橋中存在兩個二極體壓降損耗。由於受限的紋波電流，可以看到平均EMC性能(圖1)。

                               
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圖1 典型的PFC拓撲。(圖片來源：Bel Power)
接下來，對上面的PFC拓撲進行改進，改善後效率達到98.8%。改進設計採用由矽功率MOSFET組成的主動橋，該架構透過使用這種減少RDSON的方案幫助消除了橋式整流器的壓降損耗。其缺點是需要高於正常值電壓的FET來處理浪湧電壓(圖2)。

                               
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圖2 增加矽MOSFET的改進PFC拓撲。(圖片來源：Bel Power)
接下來的改進措施是使用矽MOSFET和零電壓開關(ZVS)的圖騰柱PFC拓撲設計，這使得效率提升至99%。但是該設計仍然存在導致高導通損耗的高峰值電流、並且需要更大的矽MOSFET，從而限制了該架構達到更高功率能力。這種類型的設計需要在臨界導通模式下工作，因為高側開關不能在負載下切換。由於需要用於鋸齒波形的濾波器，所以雜訊是個問題；也因此降低了效率。它將需要一個多相方法來獲得超過750W的功率水準，但開關頻率的同步可能導致更高的迴圈電流。Bel Power在2011年展示了這種架構(圖3)。

                               
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圖3 改進的圖騰柱PFC拓撲。(圖片來源：Bel Power)
最後，我們用先前的圖騰柱架構中的矽MOSFET替換了高速半橋的GaN FET。矽MOSFET仍然用於低速半橋。我們使用在開關/二極體中不產生少數載流子問題的連續導通模式，這使得單相3kW設計的效率達到99.1%。這是Bel Power 的TET3000-12-069RA中使用的電源設計架構(圖4)。

                               
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圖4 具有GaN PFC架構的99.1%效率的圖騰柱。(圖片來源：Bel Power)
GaN FET具有優於以前功率元件的諸多優點，例如52mΩ的低RDSON、較低的寄生電容、150A的高峰值電流、低壓降等。
基於若干原因TET3000意義非凡，其中最微不足道的是：這也是將高壓(HV)GaN用於下一代功率半導體方案的提振信心的另一種表現(圖5)。

                               
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圖5 TET3000-12-069RA鈦電源32W/in3、3kW@12V。(圖片來源：Bel Power)


效率

有一個正在申請專利、用於圖騰柱PFC拓撲的電流感應技術，以約0.5%的設計餘量實現優異的鈦效率(圖6和7)。

                               
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圖6 230VDC和230VAC時的效率曲線。(圖片來源：Bel Power)

                               
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圖7 380VDC和380VAC時的效率曲線。(圖片來源：Bel Power)


TET3000-12-069RA架構和框圖

TET3000-12-069RA採用了DSP控制、高效的前端電源。它使用諧振軟開關技術和交錯式功率傳輸系統來降低元件應力，從而提高了系統可靠性並實現了很高效率。
該設計具有寬的輸入工作電壓範圍和相對於環境溫度的極小線性降額的輸出功率，它採用風扇冷卻，適合於具有匹配氣流通路的伺服器整合。PFC採用最先進的數位訊號處理演算法進行數位控制，以確保在寬的工作範圍內的最佳效率和單位功率因數。
DC-DC採用軟開關諧振技術和同步整流。輸出端的主動OR裝置確保沒有反向負載電流，並使電源非常適合在冗餘電源系統中運行。始終線上的+12V待機輸出為外部配電和管理控制器提供電源，透過主動OR裝置進行保護可提供最高可靠性。
可利用具有PMBus協定的I2C通訊介面監視和控制電源(即風扇轉速設定值)。它允許充分監控電源，包括輸入和輸出電壓、電流、功率和內部溫度。同一I2C匯流排還支援引導載入程式(bootloader)以允許對DSP控制器中的韌體進行現場升級。
散熱由風扇管控實施、由DSP控制器控制。風扇速度根據實際的電源需求和電源溫度自動調節，但I2C匯流排掌控最終決定權。

                               
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圖8 TET3000-12-069RA框圖架構。(圖片來源：Bel Power)
將Bel Power圖騰柱PFC架構與Transphorm的垂直級聯 GaN FET功率元件結合在一起的技藝是邁向使用於雲端伺服器、5G和物聯網的電力電子達到新高度的激動人心的未來的又一步。

ymz000

挺好