將GaN用于功率因數校正:96% AC/DC效率創紀錄!

2021-01-22 12:55:42 來源:EETOP
隨著全球數據中心規模的不斷擴大,對提高用電效率的需求越來越高。數據中心中約50%的電力浪費在轉換、分配或熱管理上。因此進一步提升AC/DC的轉換效率成為現實需求。

以下介紹幾種工程師用來提升AC/DC轉換效率方法,這些方法包含了采用氮化鎵(GaN的AC / DC電源的新選擇。 

在幾乎所有的工頻供電用電設備中,首先要做的就是AC/DC轉換。電氣工程師們熟悉這個普遍且看似簡單的任務,在許多情況下,經典的全橋整流電路就足夠了。然而,在許多高功率環境中,例如數據中心,經典的全波整流電路在功率效率方面根本無法提升效率。

經典的全波整流電路  


弗吉尼亞州博伊頓的Microsoft數據中心 

數據中心空前的繁榮意味著當前的效率將不再足夠。在本文中,我們將討論工程師用來提高AC/ DC電源轉換效率的技術,并重點介紹BelPower Solutions和Transphorm最近為提高使用GaNFET的數據中心的電源效率所做的努力。  

功率因數校正 

傳統AC / DC轉換效率低下的主要原因之一是功率因數。

功率因數是可輸出功率(以kW為單位)與總功率(以kVA為單位)之間的比率。從本質上講,該圖描述了電路的多少功率被轉換為有用的功。在理想電路中,功率因數等于1。  

 

左圖顯示了功率因數為1的電路。右圖顯示了功率因數小于1的電路。圖片由東芝提供(PDF) 

但是,在電氣工程的非理想世界中,功率因數通常要小得多。這通常是電路負載端電壓和電流之間存在明顯相位差的結果。 

解決該問題的方法稱為功率因數校正(PFC)(PDF),可以采用多種形式。  

PFC電路 

在常規的橋式整流器中,濾波電容器在電流和電壓之間會引起相移,其中電流超前于電壓。為了解決這個問題,工程師將在電路中插入一個具有與電容器相反相位影響的電感器,以將功率因數恢復為1。  

 

有源升壓PFC整流器電路的示例。圖片由Lazar Rozenblat提供 

但是,這并不是一個完美的解決方案,因為其他功率損耗源會限制效率。例如,根據德州儀器的說法,在寬市電應用的低壓線路上,輸入電橋可以消耗大約2%的輸入功率。 

圖騰柱無橋PFC 

為了進一步提高AC / DC轉換的電源效率,工程師經常轉向“圖騰柱無橋”電路結構。該結構用一系列高頻MOSFET開關代替了電橋,并對其進行了控制,使其具有整流器的作用。在某些情況下,該電路甚至可以設置為升壓轉換器。

這樣,傳導損耗大大降低。  

具有SiC晶體管的PFC無橋整流器。圖片由德州儀器(TI)提供 

但是,該電路的問題在于,當AC輸入從正半部分變為負半部分時,相應FET的占空比也必須從0-100%改變(反之亦然)。由于FET的體二極管,硅MOSFET的反向恢復很慢,因此不能使用。  

GaN供電的AC / DC電源

近日,Bel Power Solutions宣布可以使用Transphorm的GaN FET解決此問題。 

將無橋圖騰極整流PFC電路與氮化鎵(GaN)場效應晶體管相結合是一種有效的解決方案。其結果是業界首款AC / DC電源達到了鈦金功率效率等級-這可能的最高效率等級。據稱,這種新型轉換器在高電壓下的主輸出為12 VDC,效率高達96%。 

GaN供電的TET系列的基本規格。圖片由Transphorm提供

隨著數據中心的不斷擴展,這一消息尤為重要。隨著新的AC/ DC轉換器實現如此高的效率,未來的數據中心似乎將能夠采用類似的技術來節省服務器功耗,這似乎是有希望的。 

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