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氮化鎵在采用圖騰柱 PFC 的電源設(shè)計(jì)中達(dá)到高效率

發(fā)布時(shí)間:2023-10-10 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】幾乎所有現(xiàn)代工業(yè)系統(tǒng)都涉及交流/直流電源,這些系統(tǒng)從交流電網(wǎng)獲得能量,并將經(jīng)過妥善調(diào)節(jié)的直流電壓輸送到電氣設(shè)備。隨著全球功耗增加,交流/直流電源轉(zhuǎn)換過程中的相關(guān)能量損耗,成為電源設(shè)計(jì)人員整體能源成本考慮的重要部份,特別是高耗電電信和服務(wù)器應(yīng)用的設(shè)計(jì)人員。


幾乎所有現(xiàn)代工業(yè)系統(tǒng)都涉及交流/直流電源,這些系統(tǒng)從交流電網(wǎng)獲得能量,并將經(jīng)過妥善調(diào)節(jié)的直流電壓輸送到電氣設(shè)備。隨著全球功耗增加,交流/直流電源轉(zhuǎn)換過程中的相關(guān)能量損耗,成為電源設(shè)計(jì)人員整體能源成本考慮的重要部份,特別是高耗電電信和服務(wù)器應(yīng)用的設(shè)計(jì)人員。


氮化鎵有助于提高能效并減少交流/直流電源的損耗,進(jìn)而有助于降低終端應(yīng)用的擁有成本。例如,透過最低 0.8% 的效率增益,采用氮化鎵的圖騰柱功率因子校正(PFC)有助于100 MW數(shù)據(jù)中心在10年內(nèi)節(jié)省多達(dá)700萬美元的能源成本。

選擇正確的 PFC 級(jí)拓樸


世界各地的政府法規(guī)要求在交流/直流電源中使用 PFC 級(jí),藉以促進(jìn)從電網(wǎng)獲得潔凈電力。PFC 對(duì)交流輸入電流進(jìn)行調(diào)整以遵循與交流輸入電壓相同的形狀,因而達(dá)到從電網(wǎng)汲取最大的有功功率,電氣設(shè)備即可像無功功率為零的純電阻一樣運(yùn)作。
如圖一所示,傳統(tǒng)的 PFC 拓樸結(jié)構(gòu)包括升壓 PFC(在交流線路后采用全橋式整流器) 和雙升壓 PFC。典型升壓 PFC 是常見的拓樸結(jié)構(gòu),這其中包含傳導(dǎo)損耗極高的前端橋式整流器。雙升壓 PFC 由于沒有前端橋式整流器,減少傳導(dǎo)損耗,不過這確實(shí)需要額外的電感,因此成本和功率密度受到影響。


氮化鎵在采用圖騰柱 PFC 的電源設(shè)計(jì)中達(dá)到高效率 

圖一 : PFC 拓樸結(jié)構(gòu):雙升壓 PFC(b);升壓 PFC


可能提高效率的其它拓樸包括交流開關(guān)無橋接式 PFC、有源橋接式 PFC 和無橋接式圖騰柱 PFC,如圖二所示。交流開關(guān)拓樸使用兩個(gè)在開啟狀態(tài)下導(dǎo)通的高頻場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET) 和在關(guān)閉狀態(tài)下導(dǎo)通的碳化硅 (SiC) 二極管和硅二極管。有源橋式 PFC 直接以四個(gè)低頻 FET 取代連接到交流線路的二極管橋式整流器,二極管橋式整流器需要額外的控制和驅(qū)動(dòng)電路。有源橋式 PFC 使用三個(gè)在開啟狀態(tài)下導(dǎo)通的 FET 和兩個(gè)低頻 FET,以及在關(guān)閉狀態(tài)下導(dǎo)通的 SiC 二極管。


氮化鎵在采用圖騰柱 PFC 的電源設(shè)計(jì)中達(dá)到高效率 
圖二 : 可提高效率的各種 PFC 開關(guān)拓樸


相較之下,圖騰柱 PFC 只有在開啟和關(guān)閉狀態(tài)下導(dǎo)通的一個(gè)高頻 FET 和一個(gè)低頻硅 FET,因此在三種拓樸結(jié)構(gòu)中達(dá)到最低的功率損耗。此外,圖騰柱 PFC 只需要最少數(shù)量的功率半導(dǎo)體組件,因此,在考慮整體組件數(shù)量、效率和系統(tǒng)成本時(shí),這是有吸引力的拓樸。

氮化鎵在圖騰柱 PFC 中展現(xiàn)效益


傳統(tǒng)的硅金屬氧化物半導(dǎo)體 FET(MOSFET)不適合圖騰柱PFC,因?yàn)镸OSFET的本體二極管具有極高的反向復(fù)原電荷,會(huì)導(dǎo)致高功率損耗和直通損壞的風(fēng)險(xiǎn)。SiC功率MOSFET比硅略有改善,固有本體二極管的反向復(fù)原較低。


另外,氮化鎵提供零反向復(fù)原損耗,在三種技術(shù)中達(dá)到最低的整體開關(guān)能量損耗 – 比同類 SiC MOSFET 低 50% 以上。這主要是因?yàn)榈壘哂懈叩拈_關(guān)速度能力(100 V/ns 或更高)、更低的寄生輸出電容和零反向復(fù)原。氮化鎵 FET 中沒有本體二極管,因此完全沒有直通的風(fēng)險(xiǎn)。


TI 最近與Vertiv合作進(jìn)行設(shè)計(jì),協(xié)助該公司的3.5 kW整流器達(dá)到98%的峰值效率,相較于上一代硅 3.5 kW 整流器的 96.3% 峰值效率,達(dá)到1.7%的效率增益。若要將這種效率效益外推到實(shí)際的例證,使用采用氮化鎵的圖騰柱PFC有助于100 MW數(shù)據(jù)中心在 10 年內(nèi)節(jié)省多達(dá)1490萬美元的能源成本,以及減少二氧化碳排放量的額外效益。


TI 氮化鎵中沒有反向復(fù)原損耗、輸出電容減少和重迭損耗,因此Delta Electronics中的 PFC 能夠在數(shù)據(jù)中心的節(jié)能服務(wù)器電源中達(dá)到高達(dá) 99.2% 的峰值效率。TI 氮化鎵 FET 內(nèi)部的整合閘極驅(qū)動(dòng)器允許 FET 達(dá)到高達(dá) 150 V/ns 的開關(guān)速度,因而降低高開關(guān)頻率下的整體損耗,而且 Delta 能夠達(dá)到 80% 的功率密度改善,同時(shí)將效率提高 1%。


氮化鎵技術(shù)在圖騰柱 PFC 設(shè)計(jì)中展現(xiàn)的效益顯而易見。隨著愈來愈多的電源單元設(shè)計(jì)人員改采氮化鎵,而且隨著氮化鎵制造商發(fā)布創(chuàng)新產(chǎn)品,電信和服務(wù)器電源設(shè)計(jì)人員有望持續(xù)提高功率密度和能效。


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