氮化鎵在采用圖騰柱 PFC 的電源設(shè)計中達(dá)到高效率

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，藉以促進(jìn)從電網(wǎng)獲得潔凈電力。PFC 對交流輸入電流進(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。

 

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)拓樸使用兩個在開啟狀態(tài)下導(dǎo)通的高頻場效應(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)動電路。有源橋式 PFC 使用三個在開啟狀態(tài)下導(dǎo)通的 FET 和兩個低頻 FET，以及在關(guān)閉狀態(tài)下導(dǎo)通的 SiC 二極管。

 
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)通的一個高頻 FET 和一個低頻硅 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，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，會導(dǎo)致高功率損耗和直通損壞的風(fēng)險。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。
TI 最近與Vertiv合作進(jìn)行設(shè)計，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，同時將效率提高 1%。
氮化鎵技術(shù)在圖騰柱 PFC 設(shè)計中展現(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)計人員有望持續(xù)提高功率密度和能效。