在上期中，我們探討了高共模電壓信號的來源和典型工業要求。

本期，為大家帶來的是《在 PFC 電路中使用小型升壓轉換器提高功率密度》，將介紹“小型”升壓轉換器的概念和工作原理，從而幫助減小大容量電容。

引言

在 2000 年，服務器前端電源管理單元 (PSU)（通過交流輸入產生 12V/48V 直流軌） 達到了約 10W/in3 的功率密度，峰值效率約為 85%。現在，許多服務器 PSU 都能夠符合 80 Plus Platinum（94% 峰值）和 80 Plus Titanium（96% 峰值）的要求，后者和超高功率密度 (>90W/in3) 現已成為最低要求。

服務器 PSU 之所以能實現較高的功率密度水平，原因之一是半導體行業的技術創新。新的半導體制造工藝減少了器件的寄生效應并改善了品質因數，大大改進了功率耗散并幫助提高了功率密度。

拓撲和架構創新也是 PSU 實現高功率密度的原因。在新服務器 PSU 的交流/直流整流器級（圖 1） 應用圖騰柱無橋功率因數校正(PFC) 電路以及氮化鎵(GaN) 和碳化硅(SiC) 等寬帶隙器件，可實現優于其他橋式或無橋 PFC 拓撲的出色轉換器效率。雖然較高效率確實能夠盡可能減少散熱所需的面積，但仍需要大容量電容器（圖 1中的 CBULK），以便在交流壓降后保持輸出電壓的穩定。要使穩壓持續 10mS 以上，一個 3kW 服務器 PSU 需要 1.3mF 以上的總電容，這會占用至少 30% 的總體空間。為進一步提高功率密度，必須減小大容量電容。

圖 1：服務器 PSU 方框圖

本文介紹了“小型”升壓轉換器（僅在交流壓降事件期間工作的緊湊型升壓轉換器）的概念和工作原理，從而幫助減小大容量電容。采用小型升壓轉換器的 PFC 參考設計的測試結果表明，910μF 大容量電容器（相對于 1.3mF 電容器）足以在交流壓降后，在 3kW 的負載下將輸出電壓保持在 320V 以上超過 10mS。

選擇 CBulk電容

如圖 1所示，服務器前端 PSU 一般由兩級組成：交流/直流整流器級和隔離式直流/直流轉換器級，峰值效率目標分別為 98.5% 以上和 97.5% 以上。為了使隔離式直流/直流級實現效率目標為 97.5% 以上，隔離式直流/直流轉換器的工作輸入電壓范圍 (VBulk) 通常必須限制在 320V 至 410V (VBulk,max) 以內。假定標稱大容量電容器電壓 (VBulk,nom) 為 390V，方程式 1計算將 3kW 保持 10mS 所需的電容為：

方程式 1

考慮到 VBulk電壓紋波和電容容差，如圖 1所示，系統需要一個電容超過 1.3mF 的電容器。請注意，在交流壓降后，用于保持輸出電壓的電容器能量僅占正常工作期間存儲在大容量電容器中的總能量的 32.6%。

在交流/直流整流器級與隔離式直流/直流轉換器級之間放入小型升壓轉換器級（如圖 2所示）可以關閉旁路場效應晶體管 (FET) 并啟用小型升壓轉換器，從而允許在交流壓降后將 CBB從 CBULK充電至 320V 以上。VBulk隨后可大大低于 320V，因此在大容量電容器上將輸出電壓保持相同時間所需的電容更少。

假定在交流壓降期間，VBulk可通過小型升壓轉換器降至 240V (VBulk,min)，使用方程式 1得出所需的 CBULK為 635μF，占總電容器能量的 62%。

圖2：采用小型升壓轉換器的服務器 PSU 方框圖

小型升壓轉換器設計注意事項

雖然小型升壓轉換器會減小大容量電容器的尺寸和電容，但盡可能減少轉換器所占的空間有助于保持原有的高功率密度目標。由于小型升壓轉換器的工作時間非常短（在交流壓降事件期間），峰值工作電流和電壓應力（而不是持續功率耗散）將決定功率級元件的選擇。在 VBulk,min下，電流應力應最大。選擇升壓二極管和金屬氧化物半導體 FET (MOSFET)，用于在 VBulk,mi（額定條件為 VBulk,max）下處理電流應力。小型升壓電感器需要處理 VBulk,min下的峰值電流。

方程式 2確定小型升壓電感器的電感：

方程式 2

其中 VBB是 CBB的電壓，ΔiLBB是小型升壓電感器峰峰值紋波電流，Fs,BB是小型升壓轉換器的開關頻率。

由于目標是盡可能減小電感器的占用空間，因此方程式 3假定峰峰值紋波電流等于 VBulk,min和最大輸出功率下的輸入電流的兩倍：

方程式 3

將 VBB穩定到 390V，并假定 Fs,BB= 500kHz，方程式 2計算 LBB為 7.385μH。

由于封裝的設計優先級高于功率耗散，因此最好使用飽和點較高的電感器磁芯；對于小型升壓轉換器，鐵粉芯優于鐵氧體磁芯。不過，鐵粉芯的軟飽和特性會使小型升壓電感器的設計有些困難。隨著電流的增加，磁芯磁導率會下降（電感下降），因此必須確保在方程式 2中計算的 LBB 是 iLBB峰值下的電感。方程式 4估算給定磁場下的電感：

方程式 4

其中 AL是電感系數（亨利/匝數2），μi% 是給定磁場下初始磁導率的剩余百分比，N 是應用于電感器的匝數。

根據磁芯制造商，方程式 5表示 μi% 與磁場之間的關系：

方程式 5

其中 a、b 和 c 是常系數，H 是磁場。

假定小型升壓電感器使用了磁性元件0076381A7（Kool Mμ H? 磁芯），則常系數 a、b 和 c 分別為 0.01、4.064?10-7 和 2.131。

根據安培定律，方程式 6表示 H 與 N 之間的關系：

方程式 6

其中 I 是穿過繞組的電流，le 是有效磁路長度（厘米）。

方程式 2和方程式 3計算 LBB，方程式 4、方程式 5和方程式 6將確定在給定磁場下達到電感所需的 N。

還可以通過迭代方式估算 N。假定給定電感器的電感在特定 H 和給定電流下工作，您可以使用方程式 4、方程式 5和方程式 6評估計算出的 H 是否接近于假定的 H。

例如，如果您最初猜測當 I = 25A 時，H = 140Oe，電感器電感為 7.385μH，方程式 4計算得出的 μi% 為 39.65%。然后，將方程式 2和方程式 3計算出的 LBB以及計算出的 μi% 放入方程式 4，然后得出 N 等于 20.8。

使用方程式 6和計算出的 N 驗證 H，會得到 H = 125.67Oe。猜測的 H 和計算的 H 之間仍有誤差，因此您可以再次猜測 H 并重新計算 H，直至誤差可忽略不計。經過幾次迭代后，您將找到正確的匝數（工作點）。使用迭代方法，當 N = 18.009 時，H 等于 108.75Oe。電感在 25A 下為 7.385μH。

設計實施和測試結果

圖 3顯示了德州儀器 (TI) 3.6kW 單相圖騰柱無橋 PFC 參考設計，功率密度大于 180W/in3，它使用了小型升壓轉換器。TI 的LMG3522R030GaN 器件具有零反向恢復電荷，可盡可能減少圖騰柱無橋 PFC 中的開關損耗。所有元件放置在小于 68mm x 121mm 封裝尺寸中，最大元件高度為 32mm。該參考設計可實現大于 180W/in3 的功率密度和 98.7% 的峰值效率。所選 CBULK是 910μF 450V 鋁電容器。

雖然所需電容僅為 635μF，但電容低于 910μF 的可用電容器的額定紋波電流不足以處理單相 3kW PFC 生成的紋波電流。兩個 1μF 450V 陶瓷電容器用作 CBB，很好地利用了大容量電容器下的空間。

此設計將磁性元件0076381A7磁芯應用于小型升壓電感器，電感器上的線圈匝數為 23。0A 和 25A 下的電感分別為 22.75μH 和 9.1μH。9.1μH 電感允許低于 25A 目標的峰值電流。

圖 3：功率密度大于 180W/in3 的 3.6kW 單相圖騰柱無橋 PFC 參考設計

圖 4顯示了對 3kW PFC 參考設計中交流壓降事件的測量。當交流電壓下降至 0V（與交流電流一樣）時，CBULK和 CBB持續向負載提供存儲的能量。當 VBulk下降到 340V 時，旁路 FET 關閉，小型升壓轉換器開始工作，將 VBB提高至380V。小型升壓轉換器持續工作，直至 VBulk下降至 240V。VBB保持在目標隔離式直流/直流最小工作輸入電壓 320V 以上 14mS。

圖 4： 交流壓降事件中的波形