榮湃產(chǎn)品助力數(shù)據(jù)中心服務(wù)器電源效率的提升

數(shù)據(jù)中心發(fā)展前景

近年來(lái)，公有云、私有云的市場(chǎng)快速增長(zhǎng)，數(shù)據(jù)中心大量建設(shè)，對(duì)服務(wù)器電源的性能提出更高要求，服務(wù)器電源逐漸向高功率密度、高可靠性、高智能化、遠(yuǎn)程控制、實(shí)時(shí)監(jiān)控、并機(jī)等方面發(fā)展。對(duì)數(shù)據(jù)中心進(jìn)行電源管理，在不增加電路板尺寸的前提下提高系統(tǒng)效率，提高計(jì)算性能，降低設(shè)備的冷卻成本等，這些都對(duì)服務(wù)器電源提出了更高的要求。

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心服務(wù)器

電源APFC方案

傳統(tǒng)的有源功率因數(shù)校正電路（APFC）由二極管橋式整流電路加Boost升壓變換器構(gòu)成，如圖一所示。這種APFC電路可得到較高的功率因數(shù)，滿(mǎn)足諧波標(biāo)準(zhǔn)的要求。圖一中，在任一時(shí)刻電路中總有三個(gè)半導(dǎo)體器件處于工作狀態(tài)。系統(tǒng)的通態(tài)損耗由兩部分組成：包括前端整流橋中兩個(gè)二極管導(dǎo)通壓降帶來(lái)的損耗及后級(jí)Boost變換器中功率開(kāi)關(guān)管或者續(xù)流二極管的導(dǎo)通損耗。

圖一：APFC線(xiàn)路圖

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心服務(wù)器

電源PFC改進(jìn)方案

但是，隨著變換器功率密度和開(kāi)關(guān)頻率的提高，系統(tǒng)的通態(tài)損耗顯著增加，整體效率降低。針對(duì)這一問(wèn)題，一種同樣具有PFC功能且通態(tài)損耗低的圖騰柱PFC拓?fù)渚蛻?yīng)運(yùn)而生。

典型采用圖騰柱PFC的AC-DC整流器含兩個(gè)交錯(cuò)高頻橋臂的電路圖如圖二,以及DC-DC部分采用半橋LLC拓?fù)渑浜细边叢捎弥行某轭^變壓器(12V系統(tǒng))（如圖三）。

圖二：圖騰柱PFC拓?fù)潆娐穲D

圖三：LLC架構(gòu)示意圖

圖騰柱PFC中的

功率器件的選擇

眾所周知，傳統(tǒng)高壓MosFET由于存在體二極管，會(huì)在硬開(kāi)關(guān)模式下導(dǎo)致比較大的反向恢復(fù)損耗，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的關(guān)斷振蕩電壓。這就導(dǎo)致傳統(tǒng)的圖騰柱PFC多運(yùn)行于CRM模式，因此限制了其系統(tǒng)功率在較低的級(jí)別，同時(shí)由于開(kāi)關(guān)損耗問(wèn)題不能處于較高運(yùn)行頻率下。

但隨著第三代寬禁帶器件（如氮化鎵GaN，及SiC碳化硅）的發(fā)展，通過(guò)在圖騰柱PFC系統(tǒng)中引入兩個(gè)高頻寬禁帶器件替換原有的MosFET組成的S1,S2快管（如圖二）。由于寬禁帶器件本身開(kāi)關(guān)損耗較小，且體二極管具有接近于0的反向恢復(fù)電荷Qrr，則可以使他們很好的運(yùn)行于CCM硬開(kāi)關(guān)模式下，同時(shí)可以運(yùn)行在較高的頻率，使得其應(yīng)用范圍得到了較大的發(fā)展。

如下圖四是基于寬禁帶器件的圖騰柱PFC的基本電路功率級(jí)結(jié)構(gòu)，其中，GaN-FET Q3和Q4和電感構(gòu)成了一個(gè)同步整流Boost電路，工作于系統(tǒng)開(kāi)關(guān)頻率F_PWM下，Q1和Q2是普通的MosFET，工作于電網(wǎng)頻率F_LINE下，并聯(lián)在Q1,Q2上的肖特基二極管用于進(jìn)一步改善系統(tǒng)效率。

圖四：圖騰柱PFC拓?fù)涫疽鈭D

圖騰柱PFC控制中

存在的難點(diǎn)

雖然GaN、SIC_MOSFET等第三代半導(dǎo)體的引入,能解決由反向恢復(fù)帶來(lái)的一系列問(wèn)題，但是圖騰柱PFC的控制依然存在幾個(gè)難點(diǎn)，下面對(duì)此作簡(jiǎn)單的介紹。

A: AC電壓過(guò)零點(diǎn)尖峰電流

在CCM圖騰柱PFC電路中，一個(gè)典型的控制問(wèn)題是AC電壓過(guò)零點(diǎn)切換，這會(huì)導(dǎo)致較大的電流尖峰。其本質(zhì)是對(duì)應(yīng)MOSFET的寄生輸出電容Coss放電。寄生輸出電容條件下，AC過(guò)零時(shí)，主開(kāi)關(guān)管和續(xù)流開(kāi)關(guān)管的突然切換，這會(huì)導(dǎo)致增加THD值，且使得PF值變差。

如圖五，當(dāng)AC電壓處在正半周期時(shí)，且接近AC過(guò)零點(diǎn)時(shí)，Q4為主開(kāi)關(guān)，由于輸入電壓很小，所以其占空比會(huì)接近100%（Q3占空比接近0），而Q2在這半周期一直導(dǎo)通。當(dāng)AC電壓過(guò)渡到負(fù)半周期時(shí)，Q3為主開(kāi)關(guān)，由于輸入電壓很小，所以其占空比接近為100%（Q4占空比接近0），此階段Q1會(huì)由關(guān)斷變?yōu)閷?dǎo)通。則當(dāng)Q3一導(dǎo)通時(shí)，Q1的寄生輸出電容Coss會(huì)很快放電，產(chǎn)生反向電感電流，因此會(huì)造成很大的過(guò)零切換的電流尖峰。當(dāng)AC電壓處在負(fù)半周期時(shí)，工作過(guò)程可以類(lèi)推。

一般來(lái)說(shuō)，推薦如下的AC過(guò)零點(diǎn)驅(qū)動(dòng)方式，如下圖五所示。

圖五：AC過(guò)零點(diǎn)處的PWM時(shí)序處理

從AC為正向AC為負(fù)轉(zhuǎn)變時(shí)，系統(tǒng)檢測(cè)到這一窗口后，關(guān)閉Q1-Q4，當(dāng)檢測(cè)到AC可靠過(guò)零后，主開(kāi)關(guān)管Q3開(kāi)始以很小的占空比開(kāi)始軟起動(dòng)，在軟起動(dòng)過(guò)程中，續(xù)流管Q4并未開(kāi)啟，而是通過(guò)體二極管續(xù)流，此階段中，普通MOSFET Q1寄生輸出電容Coss在主開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)逐漸放電，從而最終打開(kāi)Q1柵級(jí)，接著對(duì)續(xù)流管Q3進(jìn)行軟起動(dòng)，避免在續(xù)流管占空比大時(shí)造成尖峰電流。

經(jīng)過(guò)這樣處理柵級(jí)驅(qū)動(dòng)時(shí)序后，則可以很好的減小過(guò)零點(diǎn)造成的電流尖峰，提高PF值，降低THD。

B: 如何可靠的檢測(cè)AC過(guò)零點(diǎn)

一般情況下，如果由于噪聲使得控制器檢測(cè)到AC過(guò)零，例如從AC正到AC負(fù)，則Q3占空比從0突然就變到100%，此時(shí)由于事實(shí)上還處在AC正半周期，所以Q2還在導(dǎo)通狀態(tài)，所以這會(huì)導(dǎo)致輸出電壓Vout經(jīng)過(guò)電感直接短路到地電壓（GND），這勢(shì)必會(huì)在電感上產(chǎn)生很大的尖峰電流，從而可能導(dǎo)致功率器件燒壞。

正確推薦的方式是，如圖五所示，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到接近AC過(guò)零時(shí)（例如AC從正到負(fù)），就關(guān)閉所有控制開(kāi)關(guān)，從而阻止了輸出電容電壓放電，當(dāng)控制器真正多次檢測(cè)到AC過(guò)零后，系統(tǒng)開(kāi)始對(duì)主開(kāi)關(guān)Q3進(jìn)行軟起動(dòng)。

這樣就可以避免由于噪聲干擾導(dǎo)致的錯(cuò)誤判斷AC過(guò)零點(diǎn)，從而提前開(kāi)啟主開(kāi)關(guān)，從而由于輸出電容反向放電，從而產(chǎn)生很大的尖峰電流的異常發(fā)生。

C: 軟起動(dòng)時(shí)續(xù)流管狀態(tài)

當(dāng)軟啟動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)控制環(huán)路正在逐步建立，主開(kāi)關(guān)占空比很小，因?yàn)槔m(xù)流管和主開(kāi)關(guān)為互補(bǔ)模式，所以其占空比1-D很大，如果在主開(kāi)關(guān)做軟起動(dòng)時(shí)，也同時(shí)開(kāi)啟續(xù)流管，且相應(yīng)慢管也處于開(kāi)通狀態(tài)時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生輸出電容放電。所以，我們?nèi)鐖D五，在主開(kāi)關(guān)軟起動(dòng)時(shí)，將續(xù)流管開(kāi)關(guān)設(shè)置為關(guān)閉狀態(tài)，經(jīng)過(guò)若干周期后，主開(kāi)關(guān)的占空比也變大了，續(xù)流管也開(kāi)始軟起動(dòng)，因此可以避免續(xù)流管大占空比1-D導(dǎo)致輸出電容電壓放電。

D: 輸入電壓快速掉電造成的問(wèn)題

當(dāng)圖騰柱PFC電路正在運(yùn)行中，輸入電壓突然快速掉電，此時(shí)由于系統(tǒng)不能立即檢測(cè)到電壓掉電這個(gè)事情發(fā)生，因此會(huì)造成一系列的問(wèn)題。舉一個(gè)最差的情況，當(dāng)輸入電壓處在峰值時(shí)，此時(shí)主開(kāi)關(guān)占空比最小，而續(xù)流管占空比1-D最大，當(dāng)電壓下掉時(shí)（以AC為正時(shí)為例），輸出電容電壓通過(guò)續(xù)流管Q3向電感側(cè)進(jìn)行反向放電，注意此時(shí)Q2是一直導(dǎo)通的，所以這個(gè)放電會(huì)產(chǎn)生一些嚴(yán)重的問(wèn)題。首先，輸出電壓放電會(huì)導(dǎo)致無(wú)法滿(mǎn)足Hold-Up時(shí)間要求，其次，反向放電會(huì)造成較大的尖峰電流。

所以，在控制上需要對(duì)輸入電壓下掉進(jìn)行快速檢測(cè)，或者通過(guò)對(duì)反向電流進(jìn)行檢測(cè)，從而快速抓取這一過(guò)程，并及時(shí)做出響應(yīng)。

榮湃系列產(chǎn)品在

服務(wù)器電源中的典型應(yīng)用

圖騰柱PFC和LLC變換技術(shù)在服務(wù)器電源上的廣泛應(yīng)用，對(duì)提高系統(tǒng)效率，提高功率密度，降低系統(tǒng)散熱成本都能帶來(lái)很大的優(yōu)勢(shì)。但在實(shí)際應(yīng)用中特別是圖騰柱PFC也會(huì)帶來(lái)幾個(gè)不容忽視的問(wèn)題?；谶@些問(wèn)題，榮湃半導(dǎo)體公司推出一系列產(chǎn)品方案來(lái)應(yīng)對(duì)解決。

針對(duì)圖騰柱PFC和LLC DC-DC變換工作中電流精準(zhǔn)檢測(cè)的隔離放大器系列Pai5500,針對(duì)圖騰柱PFC和LLC DC-DC變換中功率器件驅(qū)動(dòng)需要的低延時(shí)，大驅(qū)動(dòng)能力，推出的隔離驅(qū)動(dòng)Pai8233/Pai8211/Pai6581系列。針對(duì)MCU與外界通信的數(shù)字隔離器系列。針對(duì)與外部隔離CAN通訊推出的Pai2350系列等。

圖六：圖騰柱PFC

圖七: LLC拓?fù)潆娐?/p>

榮湃半導(dǎo)體

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審核編輯：湯梓紅