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

本報告討論了基于 GaN 的無橋圖騰柱 （BTP） 功率因數(shù)校正 （PFC） 電路和 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器的實現(xiàn)，其滿載效率超過了 80 Plus Titanium 標準。

無橋圖騰柱 PFC 拓撲

在過去的二十年里，經(jīng)典的 PFC 結(jié)構(gòu)經(jīng)過了一些修改。從橋式二極管升壓到交錯橋式二極管升壓、半無橋升壓、有源橋式升壓，以及現(xiàn)在的無橋圖騰柱或 BTP 拓撲。

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 拓撲中具有最大的優(yōu)勢。GaN HEMT 沒有反向恢復電荷 Qrr，并提供最高的功率密度 （W/in3） 和效率（在 50% 負載下為 98.8%）。

圖 1a 顯示了簡化的無橋圖騰柱 PFC 拓撲的高頻支路，比較了使用 Si MOSFET 與 GAN HEMT 作為“S1”和“S2”晶體管。由于低側(cè)開關(guān)打開時的硬開關(guān)換向，GaN 是具有 BTP 架構(gòu)在連續(xù)導通模式 （CCM） 下運行的優(yōu)選半導體。如圖 1b 所示，高側(cè) Si MOSFET 的體二極管反向恢復會在低側(cè)開啟期間導致顯著的開關(guān)損耗。硅體二極管由于其反向恢復電荷 （Qrr） 而產(chǎn)生更高的開關(guān)損耗，這是在這種配置中采用硅超結(jié) MOSFET 的主要缺點。

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 遠低于 Si 超級結(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）下仍會遭受開關(guān)損耗，從而將 CCM BTP PFC 開關(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，從而提供了巨大的設計優(yōu)勢。

由于 GaN HEMT 的所有這些主要優(yōu)勢，使用新一代 650V、50 m 8 x 8 PQFN 封裝 GaN 晶體管的 3 kW CCM BTP PFC 參考設計可實現(xiàn) 98.8% 的峰值效率。這是通過使用 65 kHz 的 PFC 頻率和低于 60°C 的開放式框架溫度來實現(xiàn)的。基于 GaN 的 CCM BTP PFC 在 100 kHz 開關(guān)頻率下運行，基于降低的熱量和更高的效率測試結(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 的價值主張。這是基于與時間相關(guān)的有效輸出電容 Co 和最小死區(qū)時間計算 （tr）。

如果在第一種情況下開關(guān)頻率和死區(qū)時間保持不變，則可以使用更大的磁化電感。結(jié)果，初級側(cè)勵磁電流更小，死區(qū)期間的反向傳導損耗更低，效率更高。

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

在電感和死區(qū)時間相同的情況下，第二種情況下的開關(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行開關(guān)，從而產(chǎn)生較高的功率密度 （W/in3）。

第三種情況的開關(guān)頻率和勵磁電感相同。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)時間來實現(xiàn)零電壓開關(guān) （ZVS），同時降低相關(guān)損耗，從而提高效率。

基于 GaN 的 3 kW AC/DC PSU 設計

圖 2 顯示了一個基于 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%。采用強制風冷，該設計的功率密度為 146 W/inch3。

一個全橋 LLC，每個半橋都有一個 GaN 子板、一個諧振回路、一個輔助電源板和一個微控制器板構(gòu)成 LLC 轉(zhuǎn)換器設計。帶有散熱器的 GaN 晶體管、隔離式柵極驅(qū)動器和用于柵極驅(qū)動電壓供應的隔離式 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 650V、50 m GaN 晶體管 （GS-065-030-2-L）。輔助電源板上使用了一個準諧振 （QR） 反激式轉(zhuǎn)換器和一個 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，因此設計的諧振頻率為 250 kHz。變壓器占設計損耗的 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） 下運行的能力，以及在輕載效率下在 25°C 下運行的能力。

圖 2：基于 GaN 的 3 kW AC/DC PSU，鈦等級為 80 Plus。

如圖 3a 所示，AC/DC PSU 的整體效率在 10%、20%、50% 和 100% 負載條件下超過了 80 Plus Titanium 的要求。它還具有超過 96% 的滿載效率。降低 GaN 晶體管的開關(guān)損耗和柵極驅(qū)動損耗對于實現(xiàn) 10% 和 20% 的輕負載標準至關(guān)重要。在 100°C 的溫度下，LLC 變壓器達到了設計中的最高溫度。

BTP PFC 的 GaN 溫度為 57°C，而 LLC 的 GaN 溫度為 78°C。這些設備有更多的設計空間，允許它們進一步提高頻率以實現(xiàn)更高密度的設計。

該設計顯示了在 PFC 階段啟動時沒有大浪涌電流的軟啟動控制，此外還具有高于 0.99 的高功率因數(shù)的穩(wěn)態(tài)波形。LLC 級在 250 kHz 諧振頻率下在滿載和 400 kHz 頻率下軟啟動時表現(xiàn)出穩(wěn)態(tài)運行，沒有高浪涌電流。

圖 3b 描繪了數(shù)據(jù)中心 PSU Pareto 分析，將硅設計與 GaN 解決方案進行了比較。多目標方法是一種系統(tǒng)地評估各種拓撲或配置中的組件組合并選擇最佳選項的方法。

為了估計功率效率和密度，我們在組件和系統(tǒng)級別對設計解決方案進行了評估。

圖 3：（a） PFC+LLC PSU 符合 80 Plus Titanium 要求。（b） 對 GaN 和 Si 組件和設計的 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)的設計目標和統(tǒng)計數(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 的參考設計可以輕松實現(xiàn) 80 Plus Titanium 認證所需的 50% 和 100% 負載下的高效率 - 以及更困難的 10% 和 20% 光負載效率標準。對于大于 80W/in3 的功率密度，該參考設計可能能夠消除 PFC 和 LLC 部件的重復大容量電容器，同時保持 80 Plus Titanium 效率。通過對機械部件（冷卻風扇、散熱器和無源元件）使用節(jié)省空間的 3D 機械設計來提高功率密度。

審核編輯：郭婷