随着数据中心的扩展，工程师如何提高AC/DC转换效率?

在几乎所有的壁电电路中，首先要做的就是AC/DC转换。电气工程师们熟悉这个普遍且看似简单的任务，在许多情况下，经典的全桥整流电路就足够了。然而，在许多高功率环境中，例如数据中心，经典的全波整流电路在功率效率方面根本无法降低它。

经典全波整流电路。图片由罗姆半导体

事实上,大约数据中心中50%的电力要么浪费在转换、分配或热管理中。

随着数字化和家庭工作达到前所未有的高度，数据中心经历了快速增长的处理负载，这一现实变得越来越重要。数据中心前沿最近报道微软在弗吉尼亚州梅克伦堡县购买了900英亩的土地该公司位于Boydton，拥有110万平方英尺的数据中心。这家科技巨头还制定了在爱荷华州、北弗吉尼亚和凤凰城购置数据中心土地的宏伟计划。

位于弗吉尼亚州Boydton的微软数据中心。图片使用微软和数据中心边界

数据中心前所未有的繁荣意味着当前的效率数字将不再满足需求。在本文中，我们将讨论工程师们用来提高交流/直流功率转换效率的技术，并重点介绍Bel power Solutions和transhorm最近在使用GaN fet提高数据中心功率效率方面所做的努力。

功率因数校正

传统交流/直流转换效率低的主要原因之一是功率因数。

功率因数是指可输送功率(kW)与总功率(kVA)之比。从本质上说，这个图描述了电路的功率有多少转化为有用的功。在理想电路中，功率因数等于1。

左边的图显示了功率因数为1的电路。右边的图显示了功率因数小于1的电路。图片由东芝(PDF)

然而，在电气工程的非理想世界中，功率因数往往要小得多。这通常是由于电路负载端电压和电流之间的显著相位差造成的。

这个问题的解决方法叫做功率因数校正(PFC)(PDF)，并可采取多种形式。

PFC电路

在传统的桥式整流器中，平滑电容引起电流和电压之间的相移，电流引导电压。为了抵消这一点,工程师将插入一个感应器，它与电路中的电容具有相反的相位效应，工作时将功率因数恢复到1。

一个有源升压PFC整流电路的例子。图片由Lazar Rozenblat

然而，这并不是一个完美的解决方案，因为其他能量损失的来源限制了效率。例如，根据德州仪器公司的数据，输入电桥可以消耗大约2%的输入功率在低线的一个广泛的干线应用。

图腾柱Bridgeless PFC

为了进一步提高AC/DC转换的功率效率，工程师们常常采用“图腾柱式无桥式”电路结构。这种结构用一系列高频MOSFET开关取代了电桥，它们的控制方式就像整流器一样。在某些情况下，该电路甚至可以设置为升压变换器。

这样就大大降低了导电损耗。

用SiC晶体管实现的无桥式PFC整流器。图片由德州仪器公司

然而，这个电路的问题是，当交流输入从正一半变为负一半时，相应的fet的占空比也必须从0-100%改变(反之亦然)。硅mosfet有一个缓慢的反向恢复，因为FET的体二极管，并不能用于这一原因。

gan供电的交流/直流电源

本周，Bel Power Solutions宣布了这一消息利用来自Transphorm的GaN fet可以解决这个问题。

将无桥图腾极整流PFC电路与氮化镓场效应晶体管相结合是一种有效的解决方案。根据新闻稿的说法，这是该行业第一个实现AC/DC供应的系统钛动力效率等级-可能的最高效率等级。据称，新的变换器在高线达到96%的效率，主要输出12 VDC。

以甘为动力的TET系列的基本规格。图片由Transphorm

随着数据中心的不断扩张，这一消息尤为重要。随着新的AC/DC变换器实现如此高的效率，未来的数据中心将能够采用类似的技术来节省服务器的电力，这似乎是有希望的。