【应用】荣湃推出针对图腾柱PFC和LLC变换技术的系列产品,助力数据中心服务器电源效率提升
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Pai8300,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/Pai8201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Pai8450系列等。
图六:图腾柱PFC
图七:LLC拓扑电路
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胜金微电子(SMST)时钟芯片/漏电保护器/数字隔离器/功率器件选型指南
描述- 杭州胜金微电子是一家专业从事高端集成电路芯片研发、销售、应用及服务的高新技术企业。公司拥有芯片研发及应用人员100+,并拥有集成电路相关专利近100项。公司围绕安全环保、绿色节能的开发理念布局了高端时钟、数字隔离器、电源管理、GaN功率器件等,主要应用于新能源、5G通讯、工业控制等领域。可为客户提供定制化产品和解决方案。
型号- SMST5381_X,SMST5341_X系列,SMST5351B,SMST539X,SMST5351A,SMST5351C,SMST5341_X,SMST624X,SMST5330X系列,SMST532XX,SMST52112,SMST650D350,SMST530_X,SMST52112_X系列,SMST510_X系列,SMST695X,SMST784X,SMST54133,SMST683X,SMST710X,SMST754X,SMST621X,SMST69XX,SMST54123L,SMST697X,SMST786X,SMST63XX,SMST714X,SMST65XX,SMST52112_X,SMST30C,SMST650D200,SMST530_X系列,SMST54123,SMST650D240,SMST120C,SMST100C,SMST54123F,SMST758XX,SMST54X,SMST532XX系列,SMST696X,SMST684X,SMST650D600,SMST781X,SMST54123A,SMST650D800,SMST5147B,SMST622X,SMST755X,SMST610X,SMST654X,SMST5145,SMST626X,SMST715X,SMST5146,SMST614X,SMST658XX,SMST5147,SMST650D140,SMST510_X,SMST650DXX,SMST5381_X系列,SMST782X,SMST623X,SMST534X,SMST68XX,SMST655X,SMST538X,SMST64XX,SMST615X,SMST5159,SMST5152,SMST150C,SMS5901,SMST5154,SMST5330X,SMST60C,SMST650D190,SMST650D500,SMST650D100,SMST662X,SMST56X,SMST650D2K2,SMST682X
如何理解数字隔离器的电平转换功能?
荣湃数字隔离器双侧供电完全独立,不论两侧供电电压的相互关系如何,只要在允许的供电范围内,数字隔离器都能工作。所以,数字隔离器可以通过调整输入端供电电压和输出端供电电压,实现信号隔离传输中的电平转换,免去单独的电平转换芯片。
【IC】基本半导体推出支持米勒钳位的双通道隔离驱动芯片BTD25350,能高效可靠地抑制碳化硅MOS误开通
基本半导体自主研发推出可支持米勒钳位功能的双通道隔离驱动芯片BTD25350,此驱动芯片专为碳化硅MOSFET门极驱动设计,能高效可靠地抑制碳化硅MOSFET的误开通,该驱动芯片目前被广泛应用于光伏储能、充电桩、车载OBC、服务器电源等领域中。
如何选择数字隔离器的默认缺省电平(Fail-safe)电平?
缺省电平是指客户应用中隔离器输出端的安全电平;即输入端电源缺失或者输入信号缺失(开路)时,期望的输出端安全电平。对于通讯类接口隔离,一般缺省电平选择高电平;对于功率驱动类隔离,则需要选择低电平。其他场合需要视情况而定。
【IC】数明半导体SiLM5350隔离驱动器,SiC驱动优选方案稳定高效助力工业与汽车应用
为了让SiC器件在这些大功率、高电压、高开关速度的应用中发挥出全部的特性,其驱动器的选择也至关重要。数明半导体的SiLM5350作为一款单通道30V、10A带米勒钳位的隔离驱动器,具有强大的驱动能力,能够高效、稳定地驱动SiC(碳化硅)等新型半导体器件,确保功率器件在各种复杂环境下高效的运行。
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支持铲齿散热器鳍片最大加工厚度0.1-10mm,最大宽度600mm,铝挤散热器鳍片最小铝挤厚度5mm,最小鳍片间距1cm;定制散热器产品工艺有热管焊接,穿片,打磨,铲齿,铝挤及CNC加工修边飞面等。
最小起订量: 2pcs 提交需求>
可定制均温板VC最薄0.4mm,有效导热系数超5,000 W / m·K(纯铜(401 W/m·K ,石墨烯1,200 W/m·K)。工作温度范围同时满足低于-250℃和高于2000℃的应用,定制最低要求,项目年采购额大于10万人民币,或采购台套数大于2000套。
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