數據中心發展前景

近年來，公有云、私有云的市場快速增長，數據中心大量建設，對服務器電源的性能提出更高要求，服務器電源逐漸向高功率密度、高可靠性、高智能化、遠程控制、實時監控、并機等方面發展。對數據中心進行電源管理，在不增加電路板尺寸的前提下提高系統效率，提高計算性能，降低設備的冷卻成本等，這些都對服務器電源提出了更高的要求。

傳統數據中心服務器

電源APFC方案

傳統的有源功率因數校正電路（APFC）由二極管橋式整流電路加Boost升壓變換器構成，如圖一所示。這種APFC電路可得到較高的功率因數，滿足諧波標準的要求。圖一中，在任一時刻電路中總有三個半導體器件處于工作狀態。系統的通態損耗由兩部分組成：包括前端整流橋中兩個二極管導通壓降帶來的損耗及后級Boost變換器中功率開關管或者續流二極管的導通損耗。

圖一：APFC線路圖

傳統數據中心服務器

電源PFC改進方案

但是，隨著變換器功率密度和開關頻率的提高，系統的通態損耗顯著增加，整體效率降低。針對這一問題，一種同樣具有PFC功能且通態損耗低的圖騰柱PFC拓撲就應運而生。

典型采用圖騰柱PFC的AC-DC整流器含兩個交錯高頻橋臂的電路圖如圖二,以及DC-DC部分采用半橋LLC拓撲配合副邊采用中心抽頭變壓器(12V系統)（如圖三）。

圖二：圖騰柱PFC拓撲電路圖

圖三：LLC架構示意圖

圖騰柱PFC中的

功率器件的選擇

眾所周知，傳統高壓MosFET由于存在體二極管，會在硬開關模式下導致比較大的反向恢復損耗，同時會產生較大的關斷振蕩電壓。這就導致傳統的圖騰柱PFC多運行于CRM模式，因此限制了其系統功率在較低的級別，同時由于開關損耗問題不能處于較高運行頻率下。

但隨著第三代寬禁帶器件（如氮化鎵GaN，及SiC碳化硅）的發展，通過在圖騰柱PFC系統中引入兩個高頻寬禁帶器件替換原有的MosFET組成的S1,S2快管（如圖二）。由于寬禁帶器件本身開關損耗較小，且體二極管具有接近于0的反向恢復電荷Qrr，則可以使他們很好的運行于CCM硬開關模式下，同時可以運行在較高的頻率，使得其應用范圍得到了較大的發展。

如下圖四是基于寬禁帶器件的圖騰柱PFC的基本電路功率級結構，其中，GaN-FET Q3和Q4和電感構成了一個同步整流Boost電路，工作于系統開關頻率F_PWM下，Q1和Q2是普通的MosFET，工作于電網頻率F_LINE下，并聯在Q1,Q2上的肖特基二極管用于進一步改善系統效率。

圖四：圖騰柱PFC拓撲示意圖

圖騰柱PFC控制中

存在的難點

雖然GaN、SIC_MOSFET等第三代半導體的引入,能解決由反向恢復帶來的一系列問題，但是圖騰柱PFC的控制依然存在幾個難點，下面對此作簡單的介紹。

A: AC電壓過零點尖峰電流

在CCM圖騰柱PFC電路中，一個典型的控制問題是AC電壓過零點切換，這會導致較大的電流尖峰。其本質是對應MOSFET的寄生輸出電容Coss放電。寄生輸出電容條件下，AC過零時，主開關管和續流開關管的突然切換，這會導致增加THD值，且使得PF值變差。

如圖五，當AC電壓處在正半周期時，且接近AC過零點時，Q4為主開關，由于輸入電壓很小，所以其占空比會接近100%（Q3占空比接近0），而Q2在這半周期一直導通。當AC電壓過渡到負半周期時，Q3為主開關，由于輸入電壓很小，所以其占空比接近為100%（Q4占空比接近0），此階段Q1會由關斷變為導通。則當Q3一導通時，Q1的寄生輸出電容Coss會很快放電，產生反向電感電流，因此會造成很大的過零切換的電流尖峰。當AC電壓處在負半周期時，工作過程可以類推。

一般來說，推薦如下的AC過零點驅動方式，如下圖五所示。

圖五：AC過零點處的PWM時序處理

從AC為正向AC為負轉變時，系統檢測到這一窗口后，關閉Q1-Q4，當檢測到AC可靠過零后，主開關管Q3開始以很小的占空比開始軟起動，在軟起動過程中，續流管Q4并未開啟，而是通過體二極管續流，此階段中，普通MOSFET Q1寄生輸出電容Coss在主開關導通時逐漸放電，從而最終打開Q1柵級，接著對續流管Q3進行軟起動，避免在續流管占空比大時造成尖峰電流。

經過這樣處理柵級驅動時序后，則可以很好的減小過零點造成的電流尖峰，提高PF值，降低THD。

B: 如何可靠的檢測AC過零點

一般情況下，如果由于噪聲使得控制器檢測到AC過零，例如從AC正到AC負，則Q3占空比從0突然就變到100%，此時由于事實上還處在AC正半周期，所以Q2還在導通狀態，所以這會導致輸出電壓Vout經過電感直接短路到地電壓（GND），這勢必會在電感上產生很大的尖峰電流，從而可能導致功率器件燒壞。

正確推薦的方式是，如圖五所示，當系統檢測到接近AC過零時（例如AC從正到負），就關閉所有控制開關，從而阻止了輸出電容電壓放電，當控制器真正多次檢測到AC過零后，系統開始對主開關Q3進行軟起動。

這樣就可以避免由于噪聲干擾導致的錯誤判斷AC過零點，從而提前開啟主開關，從而由于輸出電容反向放電，從而產生很大的尖峰電流的異常發生。

C: 軟起動時續流管狀態

當軟啟動時，系統控制環路正在逐步建立，主開關占空比很小，因為續流管和主開關為互補模式，所以其占空比1-D很大，如果在主開關做軟起動時，也同時開啟續流管，且相應慢管也處于開通狀態時，則會產生輸出電容放電。所以，我們如圖五，在主開關軟起動時，將續流管開關設置為關閉狀態，經過若干周期后，主開關的占空比也變大了，續流管也開始軟起動，因此可以避免續流管大占空比1-D導致輸出電容電壓放電。

D: 輸入電壓快速掉電造成的問題

當圖騰柱PFC電路正在運行中，輸入電壓突然快速掉電，此時由于系統不能立即檢測到電壓掉電這個事情發生，因此會造成一系列的問題。舉一個最差的情況，當輸入電壓處在峰值時，此時主開關占空比最小，而續流管占空比1-D最大，當電壓下掉時（以AC為正時為例），輸出電容電壓通過續流管Q3向電感側進行反向放電，注意此時Q2是一直導通的，所以這個放電會產生一些嚴重的問題。首先，輸出電壓放電會導致無法滿足Hold-Up時間要求，其次，反向放電會造成較大的尖峰電流。

所以，在控制上需要對輸入電壓下掉進行快速檢測，或者通過對反向電流進行檢測，從而快速抓取這一過程，并及時做出響應。

榮湃系列產品在

服務器電源中的典型應用

圖騰柱PFC和LLC變換技術在服務器電源上的廣泛應用，對提高系統效率，提高功率密度，降低系統散熱成本都能帶來很大的優勢。但在實際應用中特別是圖騰柱PFC也會帶來幾個不容忽視的問題。基于這些問題，榮湃半導體公司推出一系列產品方案來應對解決。

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圖六：圖騰柱PFC

圖七: LLC拓撲電路

榮湃半導體

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審核編輯：湯梓紅