基于GaN的4000W图腾柱无桥PFC实现高效率服务器电源

日前，德州仪器在TI新基建半导体技术论坛上介绍了公司最新的基于GaN的4000W图腾柱无桥PFC参考设计。

随着电源行业的演进，80 PLUS标准越来越严苛。80 PLUS计划最初是由美国能源署出台， Ecos Consulting 负责执行的一项全国性节能现金奖励方案。起初为降低能耗，鼓励系统商在生产台式机或服务器时选配使用满载、50%负载、20%负载效率均在80%以上和在额定负载条件下PF值大于0.9的电源。

该方案最早于2003年开始实施，2007年被正式纳入到能源之星4.0标准规范中。到今天为止，80Plus已成为公认的最严格的电源节能规范之一。80Plus计划实施分为不同阶段，也就是所谓的“路线图”，最终目标是确保所有电源的转换效率都达到90%以上。但并非一次达成，而是逐年渐进式的提高认证要求。为此，2008年，80Plus官方组织在原有认证的基础上，新增了金（Gold）、银（Silver）、铜（Bronze）三项认证，分别对应不同级别的产品认证。如今标准更是包含了铂金、钛金等更严苛的标准。要求半载效率>96%。而OCP V3标准更是要求峰值效率97.5%，满载效率达到96.5%。

服务器电源主要包括两部分，分别为PFC和DC/DC，这就要求两部分都需要更高的效率。

对于传统PFC来说，传统BOOST有桥拓扑很难将效率进一步提升。目前业界有几种做法，包括Active Bridge Rectifier以及无桥拓扑两个类别，其中无桥拓扑包括了AC Switch PFC以及图腾柱PFC。三种产品相比较，图腾柱需要的功率器件数量最少，价格可以最优化，同时效率也可以达到最高，并且器件使用更少设计也更简单，因此图腾柱拓扑将成为未来PFC的重要技术。

TI的4000W图腾柱PFC参考设计包括了TI的种种器件。控制器、隔离、驱动器、GaN、差分放大、DC/DC等。开关频率为50 kHz，转换效率在1.5kW时达到了99.1%。

采用了TI第二代GaN产品，相比于第一代，尺寸更大，支持功率更高，同时RDSon更小。除此之外，TI还有车用GaN，采用的是顶部散热模式，无需PCB散热，同时具有650V耐压。

TI的GaN器件将驱动和FET封装在了一起，可以更好地进行高频设计，实现了2.2 MHz的开关速度，同时也有150V/ns的电压转换速率。此外，芯片内部集成了各种保护功能，包括过流、过压、欠压等，并且也可以报告GaN的结温等参数。

此外，TI的产品具有智能化的死区时间控制技术，GaN由于没有体二极管，因此第三象限的反向电流压降大，损耗大。GaN死区时间对效率有较大影响，因此TI采用了智能动态调节技术，根据不同周期调整死区时间。通过这种方式可以减少约1W左右的损耗。

AC Drop则是另外一个重要问题。首先是交流电一个周期恢复后，锁相环需要几个周期才能恢复，这就会导致低频管的误导通，从而损坏Power Stage。为了应对AC Drop，TI加入了保护功能，当发生AC Drop之后第一时间C2000就会控制关闭低频管切断回路，同时也会自动生成正弦波，作为锁相环参考，同时等待AC的正常恢复。

TI的参考设计提供了包括测试在内的全部数据，因此该方案也给出了EMI以及Surge相关测试，包括热管理等。