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)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
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。
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。
圖七: LLC拓?fù)潆娐?/p>
榮湃半導(dǎo)體相關(guān)產(chǎn)品推薦
01、Pai2350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(gè)CAN節(jié)點(diǎn)。Pai2350實(shí)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(shí)現(xiàn)可靠的通信，數(shù)據(jù)速率高達(dá)5 Mbit/s。Pai2350提供熱保護(hù)和傳輸數(shù)據(jù)顯性超時(shí)功能。
Pai8233是一系列高可靠性的隔離式雙通道柵極驅(qū)動(dòng)器IC,可以設(shè)計(jì)為驅(qū)動(dòng)高達(dá)5MHz開(kāi)關(guān)頻率的功率晶體管。每個(gè)輸出可以實(shí)現(xiàn)低至19ns傳播延遲和5ns的最大延遲匹配，來(lái)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(dòng)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(hù)。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(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)。
03、Pai8211單通道隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器
Pai8211是單通道隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器，旨在驅(qū)動(dòng)許多應(yīng)用中的IGBT，功率MOSFET和SiC MOSFET。它提供分立輸出，分別控制上升和下降時(shí)間，并可以提供最大6A/6A的拉灌電流能力。Pai8211提供SOP8（150 mil）封裝，根據(jù)UL1577可支持3750VRMS隔離，150kV/μs的最小共模瞬變抗擾度（CMTI），支持系統(tǒng)魯棒性。該驅(qū)動(dòng)器的最大工作電源電壓為33V，而輸入側(cè)則接受2.5V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(hù)。Pai8211具有高驅(qū)動(dòng)電流，出色的耐用性，寬電源電壓范圍和快速信號(hào)傳播的特性，適用于高可靠性、高功率密度和高效率的開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)。
04、Pai6581光耦兼容的單通道隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器
Pai6581是單通道隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器，與流行的光耦合柵極驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)器相比具有性能優(yōu)勢(shì)，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。
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(hào)±250mV范圍。故障安全功能包括輸入共模過(guò)壓檢測(cè)和VDD1缺失檢測(cè)，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)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(gè)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(kāi)關(guān)的情況下（例如在電機(jī)控制應(yīng)用中），該設(shè)備也能夠提供準(zhǔn)確而可靠的測(cè)量結(jié)果。
π12X/π13X/π14X/π16X是高性價(jià)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(jià)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(guò)UL1577安全認(rèn)證，支持多種絕緣耐壓（3.75kVrms，5kVrms），同時(shí)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(dá)200Mbps，共模瞬變抗擾度（CMTI）高達(dá)150kV/us。在輸入缺失時(shí)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(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。優(yōu)異的系統(tǒng)級(jí)別EMC性能提高了使用的可靠性和穩(wěn)定性。器件的MSL等級(jí)為2，并可以提供AEC-Q100（1級(jí)）選項(xiàng)。
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