荣湃产品助力数据中心服务器电源效率的提升

数据中心发展前景

近年来，公有云、私有云的市场快速增长，数据中心大量建设，对服务器电源的性能提出更高要求，服务器电源逐渐向高功率密度、高可靠性、高智能化、远程控制、实时监控、并机等方面发展。对数据中心进行电源管理，在不增加电路板尺寸的前提下提高系统效率，提高计算性能，降低设备的冷却成本等，这些都对服务器电源提出了更高的要求。

传统数据中心服务器

电源APFC方案

传统的有源功率因数校正电路（APFC）由二极管桥式整流电路加Boost升压变换器构成，如图一所示。这种APFC电路可得到较高的功率因数，满足谐波标准的要求。图一中，在任一时刻电路中总有三个半导体器件处于工作状态。系统的通态损耗由两部分组成：包括前端整流桥中两个二极管导通压降带来的损耗及后级Boost变换器中功率开关管或者续流二极管的导通损耗。

图一：APFC线路图

传统数据中心服务器

电源PFC改进方案

但是，随着变换器功率密度和开关频率的提高，系统的通态损耗显著增加，整体效率降低。针对这一问题，一种同样具有PFC功能且通态损耗低的图腾柱PFC拓扑就应运而生。

典型采用图腾柱PFC的AC-DC整流器含两个交错高频桥臂的电路图如图二,以及DC-DC部分采用半桥LLC拓扑配合副边采用中心抽头变压器(12V系统)（如图三）。

图二：图腾柱PFC拓扑电路图

图三：LLC架构示意图

图腾柱PFC中的

功率器件的选择

众所周知，传统高压MosFET由于存在体二极管，会在硬开关模式下导致比较大的反向恢复损耗，同时会产生较大的关断振荡电压。这就导致传统的图腾柱PFC多运行于CRM模式，因此限制了其系统功率在较低的级别，同时由于开关损耗问题不能处于较高运行频率下。

但随着第三代宽禁带器件（如氮化镓GaN，及SiC碳化硅）的发展，通过在图腾柱PFC系统中引入两个高频宽禁带器件替换原有的MosFET组成的S1,S2快管（如图二）。由于宽禁带器件本身开关损耗较小，且体二极管具有接近于0的反向恢复电荷Qrr，则可以使他们很好的运行于CCM硬开关模式下，同时可以运行在较高的频率，使得其应用范围得到了较大的发展。

如下图四是基于宽禁带器件的图腾柱PFC的基本电路功率级结构，其中，GaN-FET Q3和Q4和电感构成了一个同步整流Boost电路，工作于系统开关频率F_PWM下，Q1和Q2是普通的MosFET，工作于电网频率F_LINE下，并联在Q1,Q2上的肖特基二极管用于进一步改善系统效率。

图四：图腾柱PFC拓扑示意图

图腾柱PFC控制中

存在的难点

虽然GaN、SIC_MOSFET等第三代半导体的引入,能解决由反向恢复带来的一系列问题，但是图腾柱PFC的控制依然存在几个难点，下面对此作简单的介绍。

A: AC电压过零点尖峰电流

在CCM图腾柱PFC电路中，一个典型的控制问题是AC电压过零点切换，这会导致较大的电流尖峰。其本质是对应MOSFET的寄生输出电容Coss放电。寄生输出电容条件下，AC过零时，主开关管和续流开关管的突然切换，这会导致增加THD值，且使得PF值变差。

如图五，当AC电压处在正半周期时，且接近AC过零点时，Q4为主开关，由于输入电压很小，所以其占空比会接近100%（Q3占空比接近0），而Q2在这半周期一直导通。当AC电压过渡到负半周期时，Q3为主开关，由于输入电压很小，所以其占空比接近为100%（Q4占空比接近0），此阶段Q1会由关断变为导通。则当Q3一导通时，Q1的寄生输出电容Coss会很快放电，产生反向电感电流，因此会造成很大的过零切换的电流尖峰。当AC电压处在负半周期时，工作过程可以类推。

一般来说，推荐如下的AC过零点驱动方式，如下图五所示。

图五：AC过零点处的PWM时序处理

从AC为正向AC为负转变时，系统检测到这一窗口后，关闭Q1-Q4，当检测到AC可靠过零后，主开关管Q3开始以很小的占空比开始软起动，在软起动过程中，续流管Q4并未开启，而是通过体二极管续流，此阶段中，普通MOSFET Q1寄生输出电容Coss在主开关导通时逐渐放电，从而最终打开Q1栅级，接着对续流管Q3进行软起动，避免在续流管占空比大时造成尖峰电流。

经过这样处理栅级驱动时序后，则可以很好的减小过零点造成的电流尖峰，提高PF值，降低THD。

B: 如何可靠的检测AC过零点

一般情况下，如果由于噪声使得控制器检测到AC过零，例如从AC正到AC负，则Q3占空比从0突然就变到100%，此时由于事实上还处在AC正半周期，所以Q2还在导通状态，所以这会导致输出电压Vout经过电感直接短路到地电压（GND），这势必会在电感上产生很大的尖峰电流，从而可能导致功率器件烧坏。

正确推荐的方式是，如图五所示，当系统检测到接近AC过零时（例如AC从正到负），就关闭所有控制开关，从而阻止了输出电容电压放电，当控制器真正多次检测到AC过零后，系统开始对主开关Q3进行软起动。

这样就可以避免由于噪声干扰导致的错误判断AC过零点，从而提前开启主开关，从而由于输出电容反向放电，从而产生很大的尖峰电流的异常发生。

C: 软起动时续流管状态

当软启动时，系统控制环路正在逐步建立，主开关占空比很小，因为续流管和主开关为互补模式，所以其占空比1-D很大，如果在主开关做软起动时，也同时开启续流管，且相应慢管也处于开通状态时，则会产生输出电容放电。所以，我们如图五，在主开关软起动时，将续流管开关设置为关闭状态，经过若干周期后，主开关的占空比也变大了，续流管也开始软起动，因此可以避免续流管大占空比1-D导致输出电容电压放电。

D: 输入电压快速掉电造成的问题

当图腾柱PFC电路正在运行中，输入电压突然快速掉电，此时由于系统不能立即检测到电压掉电这个事情发生，因此会造成一系列的问题。举一个最差的情况，当输入电压处在峰值时，此时主开关占空比最小，而续流管占空比1-D最大，当电压下掉时（以AC为正时为例），输出电容电压通过续流管Q3向电感侧进行反向放电，注意此时Q2是一直导通的，所以这个放电会产生一些严重的问题。首先，输出电压放电会导致无法满足Hold-Up时间要求，其次，反向放电会造成较大的尖峰电流。

所以，在控制上需要对输入电压下掉进行快速检测，或者通过对反向电流进行检测，从而快速抓取这一过程，并及时做出响应。

荣湃系列产品在

服务器电源中的典型应用

图腾柱PFC和LLC变换技术在服务器电源上的广泛应用，对提高系统效率，提高功率密度，降低系统散热成本都能带来很大的优势。但在实际应用中特别是图腾柱PFC也会带来几个不容忽视的问题。基于这些问题，荣湃半导体公司推出一系列产品方案来应对解决。

针对图腾柱PFC和LLC DC-DC变换工作中电流精准检测的隔离放大器系列Pai5500,针对图腾柱PFC和LLC DC-DC变换中功率器件驱动需要的低延时，大驱动能力，推出的隔离驱动Pai8233/Pai8211/Pai6581系列。针对MCU与外界通信的数字隔离器系列。针对与外部隔离CAN通讯推出的Pai2350系列等。

图六：图腾柱PFC

图七: LLC拓扑电路

荣湃半导体

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审核编辑：汤梓红