世界各地的政府法規(guī)要求在 AC/DC 電源中采用 PFC 級(jí)，以便從電網(wǎng)中獲取純凈電能。PFC 將交流輸入電流整形為與交流輸入電壓相同的形狀，從而充分提高從電網(wǎng)獲取的實(shí)際功率，使電氣設(shè)備可等效為無(wú)功功率為零的純電阻。

如圖 1 所示，傳統(tǒng) PFC 拓?fù)浒龎?PFC（交流線路后有全橋整流器）和雙升壓 PFC。傳統(tǒng)升壓 PFC 是一種常見(jiàn)的拓?fù)洌哂休^高導(dǎo)通損耗的前端橋式整流器。雙升壓 PFC 能夠降低導(dǎo)通損耗，它沒(méi)有前端橋式整流器，但卻需要額外的電感器，因而在成本和功率密度方面受到一定影響。

圖 1：PFC 拓?fù)洹Ｗ髨D：雙升壓 PFC；右圖：升壓 PFC

其他可能提高效率的拓?fù)浒ń涣鏖_(kāi)關(guān)無(wú)橋 PFC、有源橋式 PFC 和無(wú)橋圖騰柱 PFC（如圖 2 所示）。交流開(kāi)關(guān)拓?fù)湓趯?dǎo)通狀態(tài)時(shí)使用兩個(gè)高頻場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET) 導(dǎo)電，在關(guān)斷狀態(tài)時(shí)使用一個(gè)碳化硅 (SiC) 二極管和一個(gè)硅二極管導(dǎo)電。有源橋式 PFC 用四個(gè)低頻 FET 取代連接到交流線路的二極管橋式整流器，但這需要額外的控制和驅(qū)動(dòng)器電路。有源橋式 PFC 在導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)使用三個(gè) FET 導(dǎo)電，在關(guān)斷狀態(tài)時(shí)使用兩個(gè)低頻 FET 和一個(gè) SiC 二極管導(dǎo)電。

相比之下，圖騰柱 PFC 在導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)下都只用一個(gè)高頻 FET 和一個(gè)低頻硅 FET 導(dǎo)電，在三種拓?fù)渲械墓β蕮p耗最低。此外，圖騰柱 PFC 所需的功率半導(dǎo)體元件數(shù)量較少，綜合考慮整體元件數(shù)量、效率和系統(tǒng)成本，它非常富有吸引力。

圖 2：各種助力效率提升的 PFC 開(kāi)關(guān)拓?fù)?

GaN 在圖騰柱 PFC 中的作用

傳統(tǒng)的硅金屬氧化物半導(dǎo)體 FET (MOSFET) 不適合圖騰柱 PFC，原因在于 MOSFET 的體二極管具有非常高的反向恢復(fù)電荷，會(huì)導(dǎo)致高功率損耗和擊穿損壞的風(fēng)險(xiǎn)。SiC 功率 MOSFET 與硅相比有了微小改進(jìn)，固有體二極管的反向恢復(fù)電荷較低。

另外，GaN 提供零反向恢復(fù)損耗，在三種技術(shù)中具有最低的總體開(kāi)關(guān)能量損耗 - 比同類 SiC MOSFET 低 50% 以上。這主要是因?yàn)?GaN 具有更高的開(kāi)關(guān)速度（100V/ns 或更高）、更低的寄生輸出電容和零反向恢復(fù)。GaN FET 中沒(méi)有體二極管，完全消除了擊穿風(fēng)險(xiǎn)。

TI 近期與 Vertiv 就一項(xiàng)設(shè)計(jì)展開(kāi)合作，使其 3.5kW 整流器達(dá)到了 98% 的峰值效率，與前代硅 3.5kW 整流器 96.3% 的峰值效率相比，實(shí)現(xiàn)了 1.7% 的效率增益。這種效率優(yōu)勢(shì)在實(shí)際示例中體現(xiàn)為，使用基于 GaN 的圖騰柱 PFC 可以幫助一個(gè) 100MW 數(shù)據(jù)中心在 10 年內(nèi)節(jié)省多達(dá) 1490 萬(wàn)美元的能源成本，同時(shí)還可以減少二氧化碳排放。

TI GaN 的反向恢復(fù)損耗為零，并且輸出電容和重疊損耗較低，使得臺(tái)達(dá)電子的 PFC 在數(shù)據(jù)中心的高能效服務(wù)器電源中達(dá)到高達(dá) 99.2% 的峰值效率。借助 TI GaN FET 內(nèi)部的集成柵極驅(qū)動(dòng)器，F(xiàn)ET 能夠達(dá)到高達(dá) 150V/ns 的開(kāi)關(guān)速度，降低高開(kāi)關(guān)頻率下的總體損耗，使臺(tái)達(dá)實(shí)現(xiàn) 80% 的功率密度提升，同時(shí)效率提高 1%。

GaN 技術(shù)在圖騰柱 PFC 設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)毋庸置疑。越來(lái)越多的電源設(shè)備設(shè)計(jì)人員轉(zhuǎn)為采用 GaN，并且 GaN 制造商不斷發(fā)布創(chuàng)新產(chǎn)品，電信和服務(wù)器電源設(shè)計(jì)人員可以期待功率密度和能效的持續(xù)改進(jìn)。

其他資源

-查看相關(guān) TI 參考設(shè)計(jì)：

     -功率密度大于 180W/in3 的 3kW 單相圖騰柱無(wú)橋 PFC 參考設(shè)計(jì)。

     -具有有源鉗位、功率密度大于 270W/in3 的 3kW 相移全橋參考設(shè)計(jì)。

     -1kW、80 Plus Titanium、GaN CCM 圖騰柱無(wú)橋 PFC 和半橋 LLC 參考設(shè)計(jì)。

-了解有關(guān) TI 和臺(tái)達(dá)電子合作的更多信息。

關(guān)于德州儀器 (TI)

德州儀器 (TI)（納斯達(dá)克股票代碼：TXN）是一家全球性的半導(dǎo)體公司，致力于設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試和銷售模擬和嵌入式處理芯片，用于工業(yè)、汽車、個(gè)人電子產(chǎn)品、通信設(shè)備和企業(yè)系統(tǒng)等市場(chǎng)。我們致力于通過(guò)半導(dǎo)體技術(shù)讓電子產(chǎn)品更經(jīng)濟(jì)實(shí)用，創(chuàng)造一個(gè)更美好的世界。如今，每一代創(chuàng)新都建立在上一代創(chuàng)新的基礎(chǔ)之上，使我們的技術(shù)變得更小巧、更快速、更可靠、更實(shí)惠，從而實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體在電子產(chǎn)品領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，這就是工程的進(jìn)步。這正是我們數(shù)十年來(lái)乃至現(xiàn)在一直在做的事。欲了解更多信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)公司網(wǎng)站www.ti.com.cn