簡介

隨著伺服器和資料中心運營商對更高效率和更大功率密度的需求不斷增加，電源設計師越來越多地轉向氮化鎵（GaN）技術。GaN 的快速開關速度、低損耗和緊湊器件尺寸，使得使用矽技術無法實現的系統架構成為可能。

EPC91107KIT，如圖1所示，是一款5千瓦評估平台，展示了如何利用 200 V EPC2304 GaN FET 在 四級圖騰柱功率因數校正（PFC）轉換器 中實現卓越效率，並滿足 開放計算項目（OCP）標準。本文將探討該方案的設計理念、硬體、控制策略及實驗性能——展示GaN如何為資料中心電源帶來全新的功率密度水平。

為何選擇多級圖騰柱PFC？

圖騰柱PFC已成為資料中心高效AC-DC前端的黃金標準。通過超越傳統的二級設計，採用 多級飛電容拓撲，工程師可以進一步降低開關損耗、器件應力和輸入電流失真。其框圖如圖2所示。

在EPC91107中，四級結構使所需的 PFC電感從約130 μH（二級）減少到僅13.8 μH，從而可使用緊湊的現成電感。這直接轉化為更高的功率密度和更快的瞬態響應。

滿足 Open Rack V3 (ORV3) 要求

OCP的 Open Rack V3 (ORV3)規範對尺寸有嚴格限制：電源必須適配 40 mm × 70 mm × 630 mm 尺寸。為了在這些尺寸內實現5千瓦功率，設計師必須精心分配空間：

• 主電容：垂直、短型電容可簡化組裝並滿足電氣/機械要求。
• EMI濾波器：放置在電容附近的“安靜區”，以最小化噪聲耦合。
• 轉換器級：靠近輸出佈置，優化散熱路徑。

冷卻通過 強制空氣沿電源長度流動或 側壁散熱實現，將大功率半導體放置在板邊以便散熱。

EPC91107KIT 包含 四個模組化電路板：

1. EPC91107M 主板：EMI濾波器、沖擊電流限制器、主電容、輔助電源。
2. EPC91107P GaN 功率板：核心四級圖騰柱級，配備EPC2304 FET、隔離柵極驅動和測量電路。
3. EPC91107F 飛電容板：安裝飛電容並提供控制器接口。
4. Microchip dsPIC 控制卡：提供高解析度PWM生成、PLL同步和反饋控制。

GaN板尺寸僅 92.5 mm × 38.5 mm，集成高低頻橋和反饋電路，最小化PCB佔用面積。

控制策略

EPC91107採用 傳統PFC控制環路，針對四級架構進行優化。

• 一個 鎖相迴路 (PLL) 鎖定電網頻率，生成正弦波參考訊號。
• 一個 外部電壓迴路 使用零階保持 (ZOH) 函數計算峰值電流參考，以最小化失真。
• 一個 內部電流迴路 將測量電流與參考值比較，並使用前饋比例進行動態響應調整。
• 三個互補 PWM 通道，相位偏移 120°，對 GaN 器件進行對稱驅動。

值得注意的是，飛行電容電壓會自我平衡，因為連續的電感電流消除了對主動平衡電路的需求。

熱設計考量

該評估套件提供時不含散熱片，初步評估依靠強制氣流冷卻。然而，對於高負載條件，EPC 建議：

• 背面冷卻，使用風扇對FET進行吹風。
• 熱擴散片搭配導熱介面材料 (TIM) 以改善熱傳導。
• EPC 建議使用 t-Global TG-A1780 (17.8 W/m·K) 作為器件介面 TIM，TG-A620 (6.2 W/m·K) 作為熱擴散片。

此混合方法在電氣絕緣、機械順應性與熱導率間取得平衡。

實驗驗證

EPC91107 的測試證實該設計能夠達到甚至超越產業標準：

• 效率： 在 240 VAC 輸入、400 V_DC 輸出，60–100% 負載下 >98%
• 輸入總諧波失真 (THD)： 40–100% 負載下 <5%，符合 OCP/M-CRPS 要求
• 功率因數： 各負載下接近於1，超過 ORV3 標準期望
• 波形： 在 5.18 kW 時，輸入電流正弦波追蹤輸入電壓，確認控制準確性

伺服器電源相關性

EPC91107 建置的目的是展示 ORV3 相容伺服器電源 的可能性。透過結合 GaN FET、多層拓撲及精心熱管理，設計師可以：

• 將 PFC 電感縮小 90% (130 µH → 13.8 µH)。
• 在符合 OCP 規範的同時，減少系統體積與重量。
• 達成 Titanium 級效率並留有裕度。
• 為未來 AI、高效能運算 (HPC) 與雲端基礎架構需求做好準備

結論

EPC91107KIT 不僅是一塊評估板 —— 它是 未來伺服器電源設計的參考基準。展示了基於 EPC2304 GaN FET 的 5 kW 四級圖騰柱 PFC，說明 GaN 如何實現無與倫比的效率、功率密度，以及 OCP 標準相容性。

對於設計下一代 資料中心電源 的工程師而言，EPC91107 證明 GaN 不只是矽的替代品 —— 它是實現 更小、更快、更涼、更高效系統 的關鍵。

設計資源：

• 造訪 EPC91107 產品頁面 下載電路圖、BOM、快速入門指南與 Gerber 檔案
• 存取 EPC 的 GaN First Time Right 設計資源，用於參考設計與應用說明
• 諮詢 GaN 專家，討論 EPC 的 GaN 解決方案如何幫助達成系統效率與功率密度目標

Marco Palma, Director of Motor Drives Systems and Applications