ZHCP231 April   2024

 

  1.   1
  2.   摘要
  3. 简介
  4. PSFB 工作原理
  5. PSFB 输出整流器
  6. PSFB 的钳位选项
  7. PSFB 控制
  8. 同步整流器运行模式
  9. 轻负载管理选项
  10. PSFB 设计示例
  11. 结论
  12. 10其他资源

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。

表 1 80 Plus Titanium 230V 内部冗余 PSU 和 M-CRPS 的效率要求。
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:

方程式 1. P U E = T o t a l _ D a t a c e n t e r _ P o w e r A c t u a l _ I T _ P o w e r

PUE 越低,数据中心的效率越高。

图 1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。

GUID-20240203-SS0I-FLSG-8TPN-TCHC4MGTPRDV-low.svg图 1 数据中心 (PUE = 3) 功耗细分。
GUID-20240203-SS0I-4ZWS-9SB5-LSTVPCZLZMSM-low.svg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。

GUID-20240203-SS0I-SJQN-RHHH-RLBVCLFVFBWQ-low.jpg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。

GUID-20240208-SS0I-KQXB-H05F-0NBV37LRGW0J-low.jpg图 4 MOSFET 硬开关导通瞬态。
GUID-20240203-SS0I-2Q7Q-XBNM-QVDBNDL6ZZRX-low.jpg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。

GUID-20240201-SS0I-TCGX-H4ZS-JQ34V2C6M6ZQ-low.jpg图 6 全桥转换器。
GUID-20240203-SS0I-ZQBV-2K88-BDHM5HKFNZXZ-low.jpg图 7 硬开关全桥 MOSFET 电流和电压。
GUID-20240203-SS0I-W2GR-WVRT-9W3T4MSVCRBG-low.jpg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。