氮化鎵如何在採用圖騰柱 PFC 的電源設計中達到高效率

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德州儀器新聞稿發表於 2023年7月26日

圖、氮化鎵如何在採用圖騰柱 PFC 的電源設計中達到高效率

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 100 MW 資料中心在 10 年內節省多達 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。

如圖 1 所示，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。

圖 1：PFC 拓樸結構：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無橋接式 PFC、有源橋接式 PFC 和無橋接式圖騰柱 PFC，如圖 2 所示。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。

圖 2：可提高效率的各種 PFC 開關拓樸

氮化鎵在圖騰柱 PFC 中展現的效益
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 (100 V/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 3.5 kW 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 100 MW 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。 (1366個字；圖3)

參考資料：
功率密度 > 180-W/in3 6-kW 單相圖騰柱無橋接式 PFC 參考設計。
功率密度 >270-W/in3 並採用主動鉗位參考設計的 3-kW 相移全橋式。
1 kW、80 Plus 鈦、氮化鎵 CCM 圖騰柱無橋接式 PFC 和半橋式 LLC 參考設計。
參閱類比設計期刊文章「在 PFC 電路中使用精簡型升壓轉換器提高功率密度」。
深入瞭解 TI 和 Delta 合作。

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