ZHCP231 April 2024
1 简介
如今的功率转换系统要求高效率、高功率密度和更轻的重量。在电信、服务器和 PC 应用领域，一直由 80 Plus 认证计划来定义高效电源标准，至今已超过·15 年。近期，开放计算项目 (OCP) 发布了适用于服务器电源单元 (PSU) 的 M-CRPS 规范，该规范要求的效率甚至高于 80 Plus，如表 1 所示。
| 以下负载下的效率 | 10% 负载 | 20% 负载 | 50% 负载 | 100% 负载 | 注释 |
|---|---|---|---|---|---|
| 80 Plus Titanium | 90% | 94% | 96% | 91% | 230VAC 输入时 |
| M-CRPS (<2,500W) | 90% | 94% | 96% | 92% | 240VAC 输入时 |
| M-CRPS (≥2,500W) | 90% | 94% | 96% | 94% | 240VAC 输入时 |
PSU 之所以需要更高的效率，部分原因源自对节能数据中心的需求。在投入使用不足十年的数据中心中，电源使用效率 (PUE) 约为 3，PUE 在方程式 1 中定义为：
PUE 越低，数据中心的效率越高。
图 1 和图 2 展示了两个数据中心的功耗细分情况，二者的 PUE 分别等于 3 和 1.25。对于 PUE 等于 3 的数据中心，由于数据中心总功耗中很大一部分用于为冷却系统供电，因此提高服务器 PSU 效率肯定有助于降低所需的冷却功耗，从而降低 PUE 和提高效率。
图 1 数据中心 (PUE = 3) 功耗细分。
图 2 数据中心 (PUE = 1.25) 功耗细分。鉴于人工智能 (AI) 和边缘计算的兴起，以及摩尔定律的延续，不仅必须要提高效率，而且服务器 PSU 还要以更小的占用空间提供更大的功率。由于每处理单元的晶体管数量呈指数级增长，因此包括 CPU 和图形处理单元 (GPU) 在内的服务器负载需要的功率大幅增加。在服务器机架尺寸保持不变的情况下，服务器 PSU 必须具有更高的功率密度，才能满足服务器负载功率需求。
高功率密度也是汽车和航天应用的要求之一，因为更轻的重量意味着运输载体将具有更高的能效。
在 PSU 内部，减轻重量的一种方法是增加转换器开关频率，进而降低磁伏秒，最终减小其尺寸。图 3 绘制了变压器体积与开关频率的关系图。对于直流/直流转换器开关频率为 500kHz 的车载充电器，其变压器体积不到 100kHz 变压器的一半。
图 3 变压器体积与开关频率之间的关系。由于目标是在不牺牲效率的情况下实现更高的功率密度，因此必须在 PSU 中引入软开关，以减少开关损耗。硬开关转换器最初应用于开关模式电源，该电源在金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 导通瞬态时会发生电流和电压重叠，如图 4 所示。更高的开关频率意味着更频繁的硬开关瞬态，从而会造成更多开关损耗。虽然可以通过增大导通速度来降低开关损耗，以便减小重叠区域，但更高的电压变化压摆率会导致更高的噪声和电磁干扰水平。另一方面，通过允许负漏源电流在栅极电压升高之前释放 MOSFET 输出电容器 (COSS) 电压，的确会实现软开关导通，如图 5 所示。由于在 MOSFET 导通瞬态时没有电流和电压重叠，因此不会产生导通开关损耗，从而使 PSU 能够在高开关频率下运行，同时保持高效率。
图 4 MOSFET 硬开关导通瞬态。
图 5 MOSFET 软开关导通瞬态。同一拓扑在不同的控制方法下，可能会在 MOSFET 开关瞬态时产生不同的行为。我们以图 6 中的全桥转换器为例。如果使用脉宽调制 (PWM) 控制来运行全桥转换器，则转换器会在 MOSFET 导通瞬态时表现出硬开关行为；MOSFET 漏源电流会在导通瞬态时从正电流开始。
图 7 显示了最高有效硬开关全桥转换器 MOSFET 电压和电流波形，其中非零电压和电流在开关瞬态时重叠，以绿色虚线圆圈突出显示。当使用两个输入桥臂间的相移控制来运行全桥转换器时，MOSFET 导通瞬态期间的负漏源电流将避免非零电压电流重叠以实现软开关，如图 8 所示。
图 6 全桥转换器。
图 7 硬开关全桥 MOSFET 电流和电压。
图 8 PSFB MOSFET 电流和电压。PFSB 转换器、电感-电感-电容 (LLC) 串联谐振转换器 (SRC) 和双有源电桥 (DAB) 转换器均可实现软开关，但各自具有不同的特性。LLC-SRC 使用频率调制进行电压调节，而 PSFB 和 DAB 都使用固定开关频率的相移控制进行电压调节。LLC-SRC 是三者中唯一可在输出整流器上实现软开关的转换器；在大多数情况下，它的峰值效率通常高于 PSFB 或 DAB。
但是，对于具有宽输入或输出范围的应用来说，LLC-SRC 并不是一个好选择。为了使 LLC-SRC 涵盖宽输入或输出范围，您必须降低变压器磁化电感和谐振电感之比，而这将导致效率降低。PSFB 和 DAB 可以凭借宽有效占空比 (Deff) 范围覆盖宽输入或输出范围，而不会造成 LLC-SRC 那样大的效率降低后果。此外，PSFB 的峰值电流模式控制比 LLC-SRC 的电流模式控制更成熟，可快速响应负载瞬态。在要求快速瞬态响应的应用中，PSFB 也是首要选择。PSFB 应用包括具有快速负载瞬态的边缘 AI 和边缘计算服务器 PSU，以及电池充电器应用，包括具有宽输入和输出范围的 400V、800V 至 12V 电动汽车功率转换系统。
在本主题中，我们将介绍 PSFB 的基本原理，包括运行原理、整流器选项、钳位选项和不同类型的控制，还会提供一个设计示例。