数据中心钛基准性能优于基于GaN的3kW AC/DC PSU

数据中心中数量庞大且不断增加的服务器，每个都配备中央处理单元 （CPU）、图形处理单元 （GPU） 和能够存储大量数据的内存，因此需要增加功率。为了支持这种扩展，需要更小、更轻、更高效的电源单元或 PSU。PSU 的最新进展利用氮化镓 （GaN） 技术的固有优势，通过提供从轻负载到满负载的最高效率以及良好的功率因数，达到 80 Plus Titanium 认证。

本报告讨论了基于 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，其满载效率超过了 80 Plus Titanium 标准。

无桥图腾柱 PFC 拓扑

在过去的二十年里，经典的 PFC 结构经过了一些修改。从桥式二极管升压到交错桥式二极管升压、半无桥升压、有源桥式升压，以及现在的无桥图腾柱或 BTP 拓扑。

与硅 （Si） MOSFET 和碳化硅 （SiC） MOSFET 相比，GaN 高电子迁移率晶体管 （HEMT） 在 BTP 拓扑中具有最大的优势。GaN HEMT 没有反向恢复电荷 Qrr，并提供最高的功率密度 （W/in3） 和效率（在 50% 负载下为 98.8%）。

图 1a 显示了简化的无桥图腾柱 PFC 拓扑的高频支路，比较了使用 Si MOSFET 与 GAN HEMT 作为“S1”和“S2”晶体管。由于低侧开关打开时的硬开关换向，GaN 是具有 BTP 架构在连续导通模式 （CCM） 下运行的优选半导体。如图 1b 所示，高侧 Si MOSFET 的体二极管反向恢复会在低侧开启期间导致显着的开关损耗。硅体二极管由于其反向恢复电荷 （Qrr） 而产生更高的开关损耗，这是在这种配置中采用硅超结 MOSFET 的主要缺点。

在 CCM BTP PFC 架构中，GaN HEMT 的性能也优于 SiC MOSFET。尽管 SiC MOSFET 的 Qrr 远低于 Si 超级结 MOSFET，但 SiC MOSFET 的本征体二极管的 Qrr 与温度有关。SiC 体二极管在较高的器件结温（例如 100°C）下仍会遭受开关损耗，从而将 CCM BTP PFC 开关频率限制在 100 kHz 以下。相比之下，GaN HEMT 由于其寄生电容而具有适中的输出电荷 Qoss，以及不受温度影响的 0% 反向恢复，从而提供了巨大的设计优势。

由于 GaN HEMT 的所有这些主要优势，使用新一代 650V、50 m 8 x 8 PQFN 封装 GaN 晶体管的 3 kW CCM BTP PFC 参考设计可实现 98.8% 的峰值效率。这是通过使用 65 kHz 的 PFC 频率和低于 60°C 的开放式框架温度来实现的。基于 GaN 的 CCM BTP PFC 在 100 kHz 开关频率下运行，基于降低的热量和更高的效率测试结果显示出更大的前景。

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

LLC谐振转换器

在三种情况下探讨了在 LLC 谐振转换器中采用 GaN HEMT 的价值主张。这是基于与时间相关的有效输出电容 Co 和最小死区时间计算 （tr）。

如果在第一种情况下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。结果，初级侧励磁电流更小，死区期间的反向传导损耗更低，效率更高。

在电感和死区时间相同的情况下，第二种情况下的开关频率与 Co（tr） 成反比。

在电感和死区时间相同的情况下，第二种情况下的开关频率与 Co（tr） 成反比。GaN 具有较低的 Co（tr），因此它可以以较小的谐振回路以较高的频率进行开关，从而产生较高的功率密度 （W/in3）。

第三种情况的开关频率和励磁电感相同。GaN 晶体管与其 Co（tr） 之间的直接相互作用允许更短的死区时间来实现零电压开关 （ZVS），同时降低相关损耗，从而提高效率。

基于 GaN 的 3 kW AC/DC PSU 设计

图 2 显示了一个基于 GaN 的 3 kW AC/DC PSU，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。谐振频率为 250 kHz，最大工作频率为 400 kHz，效率为 98%。采用强制风冷，该设计的功率密度为 146 W/inch3。

一个全桥 LLC，每个半桥都有一个 GaN 子板、一个谐振回路、一个辅助电源板和一个微控制器板构成 LLC 转换器设计。带有散热器的 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 转换器都包含在半桥电源板上。

全桥采用 88 PQFN 封装中的四个 650V、50 m GaN 晶体管 （GS-065-030-2-L）。辅助电源板上使用了一个准谐振 （QR） 反激式转换器和一个 650V、450 m 的 GaN 晶体管 （GS-065-004-1-L），采用 56 PQFN 封装。

变压器 Tr 的磁化电感 Lm 为 75 H。谐振电感 Lr 为 15 µH，谐振电容 Cr 为 27 nF，因此设计的谐振频率为 250 kHz。变压器占设计损耗的 25% 以上。

它的选择包括磁芯损耗，包括在满载情况下在高频和高温 （100°C） 下运行的能力，以及在轻载效率下在 25°C 下运行的能力。

图 2：基于 GaN 的 3 kW AC/DC PSU，钛等级为 80 Plus。

如图 3a 所示，AC/DC PSU 的整体效率在 10%、20%、50% 和 100% 负载条件下超过了 80 Plus Titanium 的要求。它还具有超过 96% 的满载效率。降低 GaN 晶体管的开关损耗和栅极驱动损耗对于实现 10% 和 20% 的轻负载标准至关重要。在 100°C 的温度下，LLC 变压器达到了设计中的最高温度。

BTP PFC 的 GaN 温度为 57°C，而 LLC 的 GaN 温度为 78°C。这些设备有更多的设计空间，允许它们进一步提高频率以实现更高密度的设计。

该设计显示了在 PFC 阶段启动时没有大浪涌电流的软启动控制，此外还具有高于 0.99 的高功率因数的稳态波形。LLC 级在 250 kHz 谐振频率下在满载和 400 kHz 频率下软启动时表现出稳态运行，没有高浪涌电流。

图 3b 描绘了数据中心 PSU Pareto 分析，将硅设计与 GaN 解决方案进行了比较。多目标方法是一种系统地评估各种拓扑或配置中的组件组合并选择最佳选项的方法。

为了估计功率效率和密度，我们在组件和系统级别对设计解决方案进行了评估。

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

根据图 3a 中与 GaN PFC+LLC PSU 相关的设计目标和统计数据，只有 GaN 解决方案才能提供 80 Plus Titanium 效率和 80 W/in3 以上的功率密度。

结论

本文介绍的采用 GaN 晶体管的 3 kW AC/DC PSU 的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 - 以及更困难的 10% 和 20% 光负载效率标准。对于大于 80W/in3 的功率密度，该参考设计可能能够消除 PFC 和 LLC 部件的重复大容量电容器，同时保持 80 Plus Titanium 效率。通过对机械部件（冷却风扇、散热器和无源元件）使用节省空间的 3D 机械设计来提高功率密度。

审核编辑：郭婷