氮化鎵如何在圖騰柱PFC電源設計中達到高效率

2023 年 07 月 28 日

幾乎所有現代工業系統都涉及交流/直流電源,這些系統從交流電網獲得能量,並將經過妥善調節的直流電壓輸送到電氣設備。隨著全球功耗增加,交流/直流電源轉換過程中的相關能量損耗成為電源設計人員整體能源成本考量的重要部份,特別是高耗電電信和伺服器應用的設計人員。

氮化鎵有助於提高能效並減少交流/直流電源的損耗,進而有助於降低終端應用的擁有成本。例如,透過最低0.8%的效率增益,採用氮化鎵的圖騰柱功率因數校正(PFC)有助於100MW資料中心在10年內節省多達700萬美元的能源成本。

世界各地的政府法規要求在交流/直流電源中使用PFC級,藉以促進從電網獲得潔淨電力。PFC對交流輸入電流進行調整以遵循與交流輸入電壓相同的形狀,因而達到從電網汲取最大的有功功率,電氣設備即可像無功功率為零的純電阻一樣運作。

傳統的PFC拓樸結構包括升壓PFC(在交流線路後採用全橋式整流器)和雙升壓PFC。典型升壓PFC是常見的拓樸結構,這其中包含傳導損耗極高的前端橋式整流器。雙升壓PFC由於沒有前端橋式整流器,減少傳導損耗,不過這確實需要額外的電感,因此成本和功率密度受到影響。

可能提高效率的其它拓樸包括交流開關無橋接式PFC、有源橋接式PFC和無橋接式圖騰柱PFC。交流開關拓樸使用兩個在開啟狀態下導通的高頻場效應電晶體(FET)和在關閉狀態下導通的碳化矽(SiC)二極體和矽二極體。有源橋式PFC直接以四個低頻FET取代連接到交流線路的二極體橋式整流器,二極體橋式整流器需要額外的控制和驅動電路。有源橋式PFC使用三個在開啟狀態下導通的FET和兩個低頻FET,以及在關閉狀態下導通的SiC二極體。

相較之下,圖騰柱PFC只有在開啟和關閉狀態下導通的一個高頻FET和一個低頻矽FET,因此在三種拓樸結構中達到最低的功率損耗。此外,圖騰柱PFC只需要最少數量的功率半導體元件,因此,在考量整體元件數量、效率和系統成本時,這是有吸引力的拓樸。

傳統的矽金屬氧化物半導體FET(MOSFET)不適合圖騰柱PFC,因為MOSFET的本體二極體具有極高的反向復原電荷,會導致高功率損耗和直通損壞的風險。SiC功率MOSFET比矽略有改善,固有本體二極體的反向復原較低。

另外,氮化鎵提供零反向復原損耗,在三種技術中達到最低的整體開關能量損耗,比同類SiC MOSFET低50%以上。這主要是因為氮化鎵具有更高的開關速度能力(100V/ns或更高)、更低的寄生輸出電容和零反向復原。氮化鎵FET中沒有本體二極體,因此完全沒有直通的風險。

TI 最近與Vertiv合作進行設計,協助該公司的3.5kW整流器達到98%的峰值效率,相較於上一代矽3.5 kW整流器的96.3%峰值效率,達到1.7%的效率增益。若要將這種效率效益外推到實際的例證,使用採用氮化鎵的圖騰柱PFC有助於100MW資料中心在10年內節省多達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原損耗、輸出電容減少和重疊損耗,因此Delta Electronics中的PFC能夠在資料中心的節能伺服器電源中達到高達99.2%的峰值效率。TI氮化鎵FET內部的整合閘極驅動器允許FET達到高達150 V/ns的開關速度,因而降低高開關頻率下的整體損耗,而且Delta能夠達到80%的功率密度改善,同時將效率提高1%。

氮化鎵技術在圖騰柱PFC設計中展現的效益顯而易見。隨著愈來愈多的電源單元設計人員改採氮化鎵,而且隨著氮化鎵製造商發佈創新產品,電信和伺服器電源設計人員有望持續提高功率密度和能效。

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