數據中心中數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） 和能夠存儲大量數據的內存，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） 技術的固有優勢，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，達到 80 Plus Titanium 認證。

本報告討論了基于 GaN 的無橋圖騰柱 （BTP） 功率因數校正 （PFC） 電路和 LLC 諧振轉換器的實現，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，經典的 PFC 結構經過了一些修改。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。由于低側開關打開時的硬開關換向，GaN 是具有 BTP 架構在連續導通模式 （CCM） 下運行的優選半導體。如圖 1b 所示，高側 Si MOSFET 的體二極管反向恢復會在低側開啟期間導致顯著的開關損耗。硅體二極管由于其反向恢復電荷 （Qrr） 而產生更高的開關損耗，這是在這種配置中采用硅超結 MOSFET 的主要缺點。

在 CCM BTP PFC 架構中，GaN HEMT 的性能也優于 SiC MOSFET。盡管 SiC MOSFET 的 Qrr 遠低于 Si 超級結 MOSFET，但 SiC MOSFET 的本征體二極管的 Qrr 與溫度有關。SiC 體二極管在較高的器件結溫（例如 100°C）下仍會遭受開關損耗，從而將 CCM BTP PFC 開關頻率限制在 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勢。

由于 GaN HEMT 的所有這些主要優勢，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 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的。基于 GaN 的 CCM BTP PFC 在 100 kHz 開關頻率下運行，基于降低的熱量和更高的效率測試結果顯示出更大的前景。

圖 1：（a） PFC 電路以及 （b） Si MOSFET 與 （c） GaN HEMT 的比較結果。

LLC諧振轉換器

在三種情況下探討了在 LLC 諧振轉換器中采用 GaN HEMT 的價值主張。這是基于與時間相關的有效輸出電容 Co 和最小死區時間計算 （tr）。

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

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

在電感和死區時間相同的情況下，第二種情況下的開關頻率與 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，從而產生較高的功率密度 （W/in3）。

第三種情況的開關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時間來實現零電壓開關 （ZVS），同時降低相關損耗，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，以支持用于數據中心的 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成 LLC 轉換器設計。帶有散熱器的 GaN 晶體管、隔離式柵極驅動器和用于柵極驅動電壓供應的隔離式 DC-DC 轉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 晶體管的開關損耗和柵極驅動損耗對于實現 10% 和 20% 的輕負載標準至關重要。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 的高功率因數的穩態波形。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出穩態運行，沒有高浪涌電流。

圖 3b 描繪了數據中心 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。

根據圖 3a 中與 GaN PFC+LLC PSU 相關的設計目標和統計數據，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 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）使用節省空間的 3D 機械設計來提高功率密度。

審核編輯：郭婷