简介

随着服务器和数据中心运营商对更高效率和更大功率密度的需求不断增加，电源设计师越来越多地转向氮化镓（GaN）技术。GaN 的快速开关速度、低损耗和紧凑器件尺寸，使得使用硅技术无法实现的系统架构成为可能。

EPC91107KIT，如图1所示，是一款5千瓦评估平台，展示了如何利用 200 V EPC2304 GaN FET 在 四级图腾柱功率因数校正（PFC）转换器 中实现卓越效率，并满足 开放计算项目（OCP）标准。本文将探讨该方案的设计理念、硬件、控制策略及实验性能——展示GaN如何为数据中心电源带来全新的功率密度水平。

为何选择多级图腾柱PFC？

图腾柱PFC已成为数据中心高效AC-DC前端的黄金标准。通过超越传统的二级设计，采用 多级飞电容拓扑，工程师可以进一步降低开关损耗、器件应力和输入电流失真。其框图如图2所示。

在EPC91107中，四级结构使所需的 PFC电感从约130 μH（二级）减少到仅13.8 μH，从而可使用紧凑的现成电感。这直接转化为更高的功率密度和更快的瞬态响应。

满足 Open Rack V3 (ORV3) 要求

OCP的 Open Rack V3 (ORV3)规范对尺寸有严格限制：电源必须适配 40 mm × 70 mm × 630 mm 尺寸。为了在这些尺寸内实现5千瓦功率，设计师必须精心分配空间：

• 主电容：垂直、短型电容可简化组装并满足电气/机械要求。
• EMI滤波器：放置在电容附近的“安静区”，以最小化噪声耦合。
• 转换器级：靠近输出布置，优化散热路径。

冷却通过 强制空气沿电源长度流动或 侧壁散热实现，将大功率半导体放置在板边以便散热。

EPC91107KIT 包含 四个模块化电路板：

1. EPC91107M 主板：EMI滤波器、冲击电流限制器、主电容、辅助电源。
2. EPC91107P GaN 功率板：核心四级图腾柱级，配备EPC2304 FET、隔离栅极驱动和测量电路。
3. EPC91107F 飞电容板：安装飞电容并提供控制器接口。
4. Microchip dsPIC 控制卡：提供高分辨率PWM生成、PLL同步和反馈控制。

GaN板尺寸仅 92.5 mm × 38.5 mm，集成高低频桥和反馈电路，最小化PCB占用面积。

控制策略

EPC91107采用 传统PFC控制环路，针对四级架构进行优化。

• 锁相环（PLL）锁定电网频率，生成正弦参考信号。
• 外环电压环使用零阶保持（ZOH）函数计算峰值电流参考，以最小化失真。
• 内环电流环将测量电流与参考比较，并使用前馈缩放实现动态响应。
• 三个互补PWM通道相位偏移120°，对GaN器件进行对称驱动。

值得注意的是，由于连续电感电流，飞电容电压自平衡，无需主动平衡电路。

热设计注意事项

评估套件 未配散热片，依靠强制空气冷却进行初步测试。但在高负载情况下，EPC建议：

• 背面冷却，风扇对准FET。
• 配合TIM（热界面材料）的散热片，提高热传导效率。
• EPC推荐 t-Global TG-A1780 (17.8 W/m·K) 用于器件接口，TG-A620 (6.2 W/m·K) 用于散热片。

该混合方案平衡了电绝缘性、机械适应性与导热性。

实验验证

EPC91107测试结果验证了设计能力，可满足并超越行业标准：

• 效率：在240 VAC输入、400 VDC输出下，60–100%负载效率>98%
• 输入THD：40–100%负载下<5%，符合OCP/M-CRPS要求
• 功率因数：全负载接近1，超出ORV3预期
• 波形：5.18 kW输出时输入电流波形干净正弦，精确跟踪输入电压，验证控制精度

服务器电源的相关性

EPC91107旨在展示 符合ORV3标准的服务器电源设计的可能性。通过结合GaN FET、多级拓扑和精心的热管理，设计师可以：

• 将PFC电感缩小90%（130 μH → 13.8 μH）。
• 在满足OCP标准的前提下，减少系统体积和重量。
• 实现Titanium级效率并留有裕度。
• 为未来AI、高性能计算和云基础设施的需求做好准备。

结论

EPC91107KIT不仅是一块评估板——它是 服务器电源设计的未来参考点。通过展示基于 EPC2304 GaN FET 的 5 kW 四级图腾柱PFC，证明GaN可实现无与伦比的效率、功率密度，并符合OCP标准。

对于设计下一代 数据中心电源的工程师来说，EPC91107表明GaN不仅是硅的替代方案，更是实现 更小、更快、更冷、更高效系统的关键。

设计资源：

• 访问 EPC91107 产品页面 下载原理图、BOM、快速入门指南和Gerber文件
• 使用EPC的 GaN First Time Right 设计资源，获取参考设计和应用笔记
• 咨询GaN专家，讨论EPC GaN解决方案如何满足您的系统效率和密度目标

Marco Palma, Director of Motor Drives Systems and Applications