一种基于GaN的BTP PFC电路和LLC谐振转换器的实现

驻留在数据中心的大量服务器(每台服务器都配备中央处理单元 (CPU)、图形处理单元 (GPU) 和存储大量数据的内存)需要越来越多的功率。更小、更轻、更高效的电源装置或 PSU 对于支持这种增长至关重要。PSU 的最新进展利用氮化镓 (GaN) 技术的固有优势，通过提供最高效率，从轻载到满载条件以及出色的功率因数，获得 80 Plus Titanium 认证。本文介绍了一种基于 GaN 的无桥图腾柱 (BTP) 功率因数校正 (PFC) 电路和 LLC 谐振转换器的实现，可实现高于 80 Plus Titanium 要求的满负载效率。

无桥图腾柱 PFC 拓扑

在过去的二十年中，传统的 PFC 拓扑经过了一些变体。它已经从桥二极管升压过渡到交错桥二极管升压、半无桥升压、有源桥升压，现在到无桥图腾柱或 BTP 拓扑。

在 BTP 拓扑中通常使用的开关中，与硅 (Si) MOSFET 和碳化硅 (SiC) MOSFET 相比，GaN 高电子迁移率晶体管 (HEMT) 具有最大的优势。GaN HEMT 具有零反向恢复电荷 Q rr，有助于实现最高功率密度 (W/in 3 )，并提供最佳效率(50% 负载时为 98.8%)。此外，GaN 价格多年来一直在下降，同时实现了 80 Plus Titanium 效率要求，这使基于 GaN 的 PSU 的单位密度价格最低($/(W/in 3)。

图 1a 中的电路说明了简化的无桥图腾柱 PFC 拓扑的高频分支，并比较了使用 Si MOSFET 与 GAN HEMT 作为“S1”和“S2”晶体管。由于低侧开关导通时的硬开关换向，GaN 是 BTP 拓扑在连续导通模式 (CCM) 下运行的首选半导体。如图 1b 所示，在低侧导通期间，高侧 Si MOSFET 的体二极管反向恢复会产生显着的开关损耗。由于其反向恢复电荷 (Q rr )，硅体二极管会产生更高的开关损耗，这是在本设计中使用硅超级结 MOSFET 的主要缺点。相比之下，GaN 没有反向恢复电荷，Q rr=0。这意味着从高侧切换到低侧时没有反向恢复损耗。此外，非常小的输出电荷 Q oss可在不牺牲效率的情况下实现更高的开关频率。

图 1：(a) PFC 电路与 (b) Si MOSFET 与 (c) GaN HEMT 的比较结果。

在 CCM BTP PFC 设计中，GaN HEMT 还提供优于SiC MOSFET 的优势。尽管SiC MOSFET的 Q rr远小于 Si 超级结 MOSFET，但 SiC MOSFET 中本征体二极管的 Q rr高度依赖于温度。在更高的器件结温(例如 100°C)下，SiC 体二极管仍然具有开关损耗，从而将 CCM BTP PFC 开关频率限制为在 100 kHz 以下运行。同样，相比之下，GaN HEMT 的输出电荷很小，Q oss，来自其寄生电容和与温度无关的零反向恢复，这创造了显着的设计优势。结温为 100°C 时，GaN 开关损耗比 SiC 低 70% 以上，从而在 PFC 设计中实现更高的开关频率能力。

由于 GaN HEMT 的这些优势，使用新一代 650V、50mΩ 8 x 8 PQFN 封装 GaN 晶体管的 3 kW CCM BTP PFC 参考设计具有 98.8% 的峰值效率。这是通过低于 60°C 的开放式框架温度和 65 kHz 的 PFC 频率实现的。基于更低的热量和更高的效率测试结果，基于 GaN 的 CCM BTP PFC 在 100 kHz 开关频率以上显示出更大的工作潜力。

LLC谐振转换器

通过三个场景，可以深入了解在 LLC 谐振转换器中使用 GaN HEMT 的价值主张。这是基于最小死区时间计算，其中涉及与时间相关的有效输出电容 C o(tr)。

在第一种情况下，如果开关频率和死区时间保持不变，则可以使用更大的磁化电感。这导致初级侧的磁化电流更低，死区期间的反向传导损耗更低，效率更高。

第二种情况下的开关频率与具有相同电感和死区时间的 C o(tr)成反比。由于GaN 具有较低的 C o(tr)，它提供了更高的开关频率和较小的谐振槽，从而导致更高的功率密度(W/in 3)。

第三种情况具有相同的开关频率和相同的磁化电感。GaN 晶体管与其 C o(tr)的直接关系提供了更短的死区时间，以实现零电压开关 (ZVS)，同时在死区时间内降低相关损耗，从而提高效率。

基于 GaN 的 3 kW AC/DC PSU 设计

图 2 中显示的基于 GaN 的 3 kW AC/DC PSU 参考设计具有 80 Plus Titanium 额定值和 54V 输出电压，以支持用于数据中心的 48V 总线电压。其 250 kHz 的谐振频率可实现 98% 的效率，其最大工作频率设置为 400 kHz。该设计的功率密度为 146 W/英寸3， 采用强制风冷。

LLC 转换器设计包括一个全桥 LLC，每个半桥都使用一个 GaN 子板、一个谐振回路、一个辅助电源板和一个微控制器板。半桥电源板包括带散热器的 GaN 晶体管、隔离式栅极驱动器和用于栅极驱动电压供应的隔离式 DC-DC 转换器。用于全桥的器件是采用 8×8 PQFN 封装的四个 650V、50 mΩ GaN 晶体管 (GS-065-030-2-L)。辅助电源板使用 5×6 PQFN 封装的准谐振 (QR) 反激式转换器和一个 650V、450 mΩ GaN 晶体管 (GS-065-004-1-L)。

变压器 T r的磁化电感 L m为 75 µH。谐振电感 L r为 15 µH，谐振电容 C r为 27 nF，因此设计的谐振频率为 250 kHz。变压器对设计的损耗最高，接近 25%。其选择(包括磁芯损耗)涉及在全负载条件下在高频和高温 (100°C) 下运行的能力以及在 25°C 下运行的能力，这对于轻负载效率很重要。

图 2：具有 80 Plus Titanium 额定值的基于 GaN 的 3 kW AC/DC PSU。

如图 3a 所示，对 AC/DC PSU 整体效率的测量表明，它在 10%、20%、50% 和 100% 负载条件下超过了 80 Plus Titanium 要求。它还提供 96% 以上的满载效率。GaN 晶体管较低的开关损耗和较低的栅极驱动损耗对于满足 10% 和 20% 的轻负载要求非常重要。设计中的最高温度出现在 LLC 变压器上，温度为 100°C。

有趣的是，BTP PFC 的 GaN 温度为 57°C，LLC 的 GaN 温度测量值为 78°C。这些器件具有额外的设计余量，可进一步提高更高密度设计的频率。

除了具有高于 0.99 的高功率因数的稳态波形外，该设计还展示了在 PFC 阶段启动期间没有大浪涌电流的软启动控制。LLC 级在 400 kHz 频率下表现出软启动，没有高浪涌电流，并在满载时在 250 kHz 谐振频率下稳定运行。

图 3b 显示了对硅设计与 GaN 解决方案进行比较的数据中心 PSU 的帕累托分析。多目标方法提供了一种系统的方法来评估不同拓扑或配置中的组件组合并选择最佳解决方案。在组件和系统级别对设计选项进行评估，以确定电源效率和功率密度。

图 3：(a) PFC+LLC PSU 满足 80 Plus Titanium 要求。(b) GaN 和 Si 组件和设计的帕累托分析表明，只有 GaN 才能满足 80+ 钛的要求。

该分析证明，只有 GaN 解决方案才能提供高于 80 W/in 3的 80 Plus Titanium 效率和功率密度，这与图 3a 中与 GaN PFC+LLC PSU 相关的设计目标和数据一致。

概括

本文中描述的使用 GaN 晶体管的 3 kW AC/DC PSU 参考设计可以轻松实现 80 Plus Titanium 认证所需的 50% 和 100% 负载下的高效率——并满足更具挑战性的 10% 和 20% 轻负载效率要求. 对于高于 80W/in 3 的更高功率密度，参考设计可能会删除 PFC 和 LLC 部分的重复大容量电容器，同时仍以 80 Plus Titanium 效率为目标。机械方面(冷却风扇、散热器和无源元件)的节省空间的 3D 机械设计可以提高功率密度。GaN Systems 提供了更多信息，包括更紧凑的 PFC 设计，以进一步提高功率密度。

审核编辑：汤梓红