數(shù)據(jù)中心發(fā)展前景

近年來，公有云、私有云的市場快速增長，數(shù)據(jù)中心大量建設(shè)，對服務(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、遠程控制、實時監(jiān)控、并機等方面發(fā)展。對數(shù)據(jù)中心進行電源管理，在不增加電路板尺寸的前提下提高系統(tǒng)效率，提高計算性能，降低設(shè)備的冷卻成本等，這些都對服務(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)，滿足諧波標(biāo)準(zhǔn)的要求。圖一中，在任一時刻電路中總有三個半導(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二極管導(dǎo)通壓降帶來的損耗及后級Boost變換器中功率開關(guān)管或者續(xù)流二極管的導(dǎo)通損耗。

圖一：APFC線路圖

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心服務(wù)器

電源PFC改進方案

但是，隨著變換器功率密度和開關(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。針對這一問題，一種同樣具有PFC功能且通態(tài)損耗低的圖騰柱PFC拓撲就應(yīng)運而生。

典型采用圖騰柱PFC的AC-DC整流器含兩個交錯高頻橋臂的電路圖如圖二,以及DC-DC部分采用半橋LLC拓撲配合副邊采用中心抽頭變壓器(12V系統(tǒng))（如圖三）。

圖二：圖騰柱PFC拓撲電路圖

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，會在硬開關(guān)模式下導(dǎo)致比較大的反向恢復(fù)損耗，同時會產(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多運行于CRM模式，因此限制了其系統(tǒng)功率在較低的級別，同時由于開關(guān)損耗問題不能處于較高運行頻率下。

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，通過在圖騰柱PFC系統(tǒng)中引入兩個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行于CCM硬開關(guān)模式下，同時可以運行在較高的頻率，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的基本電路功率級結(jié)構(gòu)，其中，GaN-FET Q3和Q4和電感構(gòu)成了一個同步整流Boost電路，工作于系統(tǒng)開關(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一步改善系統(tǒng)效率。

圖四：圖騰柱PFC拓撲示意圖

圖騰柱PFC控制中

存在的難點

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)帶來的一系列問題，但是圖騰柱PFC的控制依然存在幾個難點，下面對此作簡單的介紹。

A: AC電壓過零點尖峰電流

在CCM圖騰柱PFC電路中，一個典型的控制問題是AC電壓過零點切換，這會導(dǎo)致較大的電流尖峰。其本質(zhì)是對應(yīng)MOSFET的寄生輸出電容Coss放電。寄生輸出電容條件下，AC過零時，主開關(guān)管和續(xù)流開關(guān)管的突然切換，這會導(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，且接近AC過零點時，Q4為主開關(guān)，由于輸入電壓很小，所以其占空比會接近100%（Q3占空比接近0），而Q2在這半周期一直導(dǎo)通。當(dāng)AC電壓過渡到負半周期時，Q3為主開關(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會由關(guān)斷變?yōu)閷?dǎo)通。則當(dāng)Q3一導(dǎo)通時，Q1的寄生輸出電容Coss會很快放電，產(chǎn)生反向電感電流，因此會造成很大的過零切換的電流尖峰。當(dāng)AC電壓處在負半周期時，工作過程可以類推。

一般來說，推薦如下的AC過零點驅(qū)動方式，如下圖五所示。

圖五：AC過零點處的PWM時序處理

從AC為正向AC為負轉(zhuǎn)變時，系統(tǒng)檢測到這一窗口后，關(guān)閉Q1-Q4，當(dāng)檢測到AC可靠過零后，主開關(guān)管Q3開始以很小的占空比開始軟起動，在軟起動過程中，續(xù)流管Q4并未開啟，而是通過體二極管續(xù)流，此階段中，普通MOSFET Q1寄生輸出電容Coss在主開關(guān)導(dǎo)通時逐漸放電，從而最終打開Q1柵級，接著對續(xù)流管Q3進行軟起動，避免在續(xù)流管占空比大時造成尖峰電流。

經(jīng)過這樣處理柵級驅(qū)動時序后，則可以很好的減小過零點造成的電流尖峰，提高PF值，降低THD。

B: 如何可靠的檢測AC過零點

一般情況下，如果由于噪聲使得控制器檢測到AC過零，例如從AC正到AC負，則Q3占空比從0突然就變到100%，此時由于事實上還處在AC正半周期，所以Q2還在導(dǎo)通狀態(tài)，所以這會導(dǎo)致輸出電壓Vout經(jīng)過電感直接短路到地電壓（GND），這勢必會在電感上產(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)檢測到接近AC過零時（例如AC從正到負），就關(guān)閉所有控制開關(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到AC過零后，系統(tǒng)開始對主開關(guān)Q3進行軟起動。

這樣就可以避免由于噪聲干擾導(dǎo)致的錯誤判斷AC過零點，從而提前開啟主開關(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: 軟起動時續(xù)流管狀態(tài)

當(dāng)軟啟動時，系統(tǒng)控制環(huán)路正在逐步建立，主開關(guān)占空比很小，因為續(xù)流管和主開關(guān)為互補模式，所以其占空比1-D很大，如果在主開關(guān)做軟起動時，也同時開啟續(xù)流管，且相應(yīng)慢管也處于開通狀態(tài)時，則會產(chǎn)生輸出電容放電。所以，我們?nèi)鐖D五，在主開關(guān)軟起動時，將續(xù)流管開關(guān)設(shè)置為關(guān)閉狀態(tài)，經(jīng)過若干周期后，主開關(guān)的占空比也變大了，續(xù)流管也開始軟起動，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題

當(dāng)圖騰柱PFC電路正在運行中，輸入電壓突然快速掉電，此時由于系統(tǒng)不能立即檢測到電壓掉電這個事情發(fā)生，因此會造成一系列的問題。舉一個最差的情況，當(dāng)輸入電壓處在峰值時，此時主開關(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（以AC為正時為例），輸出電容電壓通過續(xù)流管Q3向電感側(cè)進行反向放電，注意此時Q2是一直導(dǎo)通的，所以這個放電會產(chǎn)生一些嚴(yán)重的問題。首先，輸出電壓放電會導(dǎo)致無法滿足Hold-Up時間要求，其次，反向放電會造成較大的尖峰電流。

所以，在控制上需要對輸入電壓下掉進行快速檢測，或者通過對反向電流進行檢測，從而快速抓取這一過程，并及時做出響應(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)散熱成本都能帶來很大的優(yōu)勢。但在實際應(yīng)用中特別是圖騰柱PFC也會帶來幾個不容忽視的問題。基于這些問題，榮湃半導(dǎo)體公司推出一系列產(chǎn)品方案來應(yīng)對解決。

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

圖六：圖騰柱PFC

圖七: LLC拓撲電路

榮湃半導(dǎo)體

相關(guān)產(chǎn)品推薦

01Pai2350隔離CAN收發(fā)器

Pai2350是一款高速CAN收發(fā)器，可提供控制器局域網(wǎng)（CAN）協(xié)議控制器和物理兩線CAN總線之間的接口，可以支持至少110個CAN節(jié)點。Pai2350實現(xiàn)ISO 11898-2：2016和SAE J2284-1至SAE J2284-5中定義的CAN物理層。在CAN FD快速相位網(wǎng)絡(luò)中可實現(xiàn)可靠的通信，數(shù)據(jù)速率高達5 Mbit/s。Pai2350提供熱保護和傳輸數(shù)據(jù)顯性超時功能。

02Pai8233高可靠性

隔離式雙通道柵極驅(qū)動器

Pai8233是一系列高可靠性的隔離式雙通道柵極驅(qū)動器IC,可以設(shè)計為驅(qū)動高達5MHz開關(guān)頻率的功率晶體管。每個輸出可以實現(xiàn)低至19ns傳播延遲和5ns的最大延遲匹配，來提供最大4A/8A的拉灌電流能力。Pai8233 在SOIC-16和SOIC-14寬體封裝中提供5000VRMS隔離。100V/μs的最小共模瞬變抗擾度(CMTI)提高系統(tǒng)魯棒性。該驅(qū)動器的最大工作電源電壓為25V，而輸入側(cè)則接受3V至5.5V的電源電壓。所有電源電壓引腳均支持欠壓鎖定(UVLO)保護。Pai8233 具有所有這些出色的功能,適用于高可靠性、高功率密度和高效率的開關(guān)電源系統(tǒng)。

03Pai8211

單通道隔離式柵極驅(qū)動器

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04Pai6581光耦兼容的

單通道隔離式柵極驅(qū)動器

Pai6581是單通道隔離式柵極驅(qū)動器，與流行的光耦合柵極驅(qū)動器引腳兼容。它可以提供5A的峰值拉/灌電流。支持140kV/μs的最小共模瞬態(tài)免疫（CMTI），確保了系統(tǒng)的魯棒性。驅(qū)動器的最大電源電壓為30V。當(dāng)輸入電路應(yīng)用在兼容光耦的系統(tǒng)中，與光耦式柵極驅(qū)動器相比具有性能優(yōu)勢，包括更好的可靠性，更高的工作溫度，更短傳播延遲和較小的脈寬失真。

05Pai5500隔離電流放大器

Pai5500是輸出與輸入基于Idivider電容隔離技術(shù)的隔離電流放大器。此系列產(chǎn)品具有線性差分輸入信號±250mV范圍。故障安全功能包括輸入共模過壓檢測和VDD1缺失檢測，簡化了系統(tǒng)級設(shè)計和診斷。Pai5500的固定增益為8.2，并提供差分模擬輸出。低失調(diào)和增益漂移確保了整個溫度范圍內(nèi)的精度。高共模瞬變抗擾度可確保即使在存在大功率開關(guān)的情況下（例如在電機控制應(yīng)用中），該設(shè)備也能夠提供準(zhǔn)確而可靠的測量結(jié)果。

π12X/π13X/π14X/π16X是高性價比高可靠性的雙/三/四/六通道數(shù)字隔離器。

π12X/π13X/π14X/π16X是高性價比高可靠性的雙/三/四/六通道數(shù)字隔離器此系列產(chǎn)品已通過UL1577安全認(rèn)證，支持多種絕緣耐壓（3.75kVrms，5kVrms），同時具有低功耗，高電磁抗擾度和低輻射的特性。產(chǎn)品的數(shù)據(jù)速率高達200Mbps，共模瞬變抗擾度（CMTI）高達150kV/us。在輸入缺失時默認(rèn)輸出電平配置，且提供數(shù)字通道方向配置。此系列器件的寬電源電壓范圍支持其與大多數(shù)數(shù)字接口直接連接，易進行電平轉(zhuǎn)換。優(yōu)異的系統(tǒng)級別EMC性能提高了使用的可靠性和穩(wěn)定性。器件的MSL等級為2，并可以提供AEC-Q100（1級）選項。

審核編輯：湯梓紅