高功率服务器电源革新：混合 TCM/CCM 控制的交错式 TTP PFC 设计指南

混合 TCM/CCM 控制策略与交错式图腾柱（TTP）PFC 的结合，是高功率 AI 服务器电源的核心革新方案。其核心价值在于突破传统 PFC“轻载低效、重载不稳” 的痛点，通过 “轻载 TCM 零电压开关（ZVS）+ 重载 CCM 稳定运行” 的智能切换，配合交错拓扑，实现 5.5-8kW 功率等级下 97.5% 峰值效率、62W/in³ 功率密度，完美适配 AI 服务器 3-10 倍于传统服务器的功率需求，满足 80PLUS Ruby 最高能效认证标准。

资料获取：【2024-ST工业峰会】混合TCM/CCM控制策略的TTP PFC在高功率服务器电源的革新

1. 核心概述：为何需要混合控制的 TTP PFC？

1.1 高功率服务器电源的核心诉求

功率等级跃升：AI 服务器 GPU 需求推动电源功率从传统 3kW 提升至 5.5-8kW，输出电压从 12V 升级为 48/54V 主流；
能效标准严苛：80PLUS Ruby 认证要求 30%-100% 负载效率≥96.5%，功率因数＞0.98，总谐波失真（THD）＜5%；
空间约束收紧：数据中心机柜对电源体积要求极高，需在 1RU 高度内实现超高功率密度；
全负载适配：服务器 idle 到满算力的宽负载范围（5%-100%），需保持高效稳定运行。

1.2 传统方案的痛点与革新方向

传统 Boost PFC：整流桥导通损耗高，效率难突破 97%，功率密度受限；
纯 TCM 模式：重载时开关损耗激增，稳定性下降；纯 CCM 模式：轻载效率低，纹波较大；
革新关键：TTP 无桥拓扑移除整流桥降低导通损耗，混合 TCM/CCM 控制兼顾全负载效率，交错结构优化纹波与热分布。

2. 核心原理：混合 TCM/CCM 与 TTP 拓扑的协同机制

2.1 交错式 TTP PFC 拓扑基础

拓扑结构：采用两相 / 三相交错并联，每相由 “高频快速臂 + 工频慢速臂” 组成，相位差 120°/180°；
核心优势：无桥设计减少 2 个整流二极管损耗，交错结构使输入电流纹波抵消，磁件体积缩减 30% 以上；
器件搭配：快速臂选用 650V SiC MOSFET（低 Qrr、低 Rds (on)），慢速臂采用超结 MOSFET，平衡效率与成本。

2.2 TCM/CCM 混合控制逻辑

模式特性对比

工作模式	适用场景	核心优势	关键实现
TCM（三角电流模式）	轻载（<30% 额定负载）	ZVS 开通，开关损耗低，EMI 小	变频控制，电流呈三角波，纹波带动态调整
CCM（连续电流模式）	重载（≥30% 额定负载）	电流连续，稳定性高，导通损耗低	固定频率（30-150kHz），电流无断流

智能切换机制：通过电压外环（1kHz）检测输出功率，当负载低于阈值时自动切换至 TCM，高于阈值则切换为 CCM；切换过程采用滞环控制，避免频繁跳变，确保过渡平稳。

2.3 控制架构核心

双环 + 前馈设计：电压外环稳定输出电压，40kHz 电流内环精准控制电感电流，输入电压前馈抑制电网波动；
硬件支撑：基于 STM32G474 MCU，利用内置高分辨率定时器（HRTIM）、DAC 和快速比较器，实现逐周期滞环控制与 ZVS 精准触发；
电流检测：霍尔传感器 + 电流互感器（CT）复合方案，霍尔检测工频成分，CT 捕获高频纹波，叠加后实现全频段精准采样。

3. 革新亮点：关键性能突破

3.1 全负载平坦高效

峰值效率达 97.5%（230VAC 输入，30%-100% 负载），30%-100% 负载效率均≥96.5%，远超 80PLUS Ruby 认证要求；
轻载优势显著：5% 轻载时效率较纯 CCM 提升 3%-5%，解决服务器待机能耗问题。

3.2 功率密度飞跃

借助 SiC 器件高频特性与交错拓扑，8kW 方案功率密度突破 62W/in³，5.5kW 方案达 50W/in³，满足 1RU 机柜安装需求；
磁件体积缩减：交错结构使电感电流纹波降低，电感体积较单通道 TTP PFC 减少 40%。

3.3 电磁兼容与热管理优化

EMI 显著降低：TCM 模式低开关噪声 + 交错纹波抵消，传导发射满足 CISPR 32 Class B 标准，EMI 滤波器体积缩减 25%；
热分布均衡：多相交错分摊电流，器件温升差异＜5℃，避免局部热失控，延长使用寿命。

3.4 瞬态响应快速

负载从 50% 阶跃至 100% 时，恢复时间＜10ms，输出电压波动＜±2%，适配 AI 服务器 GPU 突发算力需求。

4. 设计实操要点

4.1 器件选型规范

功率器件：快速臂 SiC MOSFET 需匹配 Rds (on) 偏差≤±5%、Vth 偏差≤±0.5V；慢速臂超结 MOSFET 重点控制导通损耗，Rds (on)＜15mΩ；
驱动器件：选用隔离型栅极驱动器（如 STGAP2HS），支持 - 2~-5V 负压关断，抑制 SiC MOSFET 米勒效应误开通；
磁件设计：电感采用铁氧体磁芯，工作频率 30-150kHz，基于总损耗最小化原则优化匝数与气隙。

4.2 控制策略实现

滞环控制参数：设定电感电流纹波带（如 4A），实现 ZVS 开通，降低开关损耗；
模式切换算法：设置滞环阈值（如 25%-35% 负载），避免临界负载下频繁切换；
过零畸变补偿：动态调整死区时间（±10ns 精度），解决交流过零点电流畸变问题。

4.3 硬件布局优化

功率回路：采用叠层母排，使主回路寄生电感＜5nH，减少电压尖峰；
采样回路：电流传感器靠近功率器件，采样线采用屏蔽双绞线，避免干扰；
驱动回路：驱动电阻选用 1% 精度无感电阻，驱动线长度一致，延迟差异≤0.2ns。

4.4 保护机制配置

过流保护：硬件比较器触发（响应时间 2μs），软件锁存关断；
过压 / 欠压保护：输入电压阈值 85VAC/280VAC，输出电压阈值 45V/52V；
过温保护：基于 NTC 传感器，结温阈值 150℃时降额运行，175℃强制关断。

5. 避坑关键要点

模式切换冲击：避免固定阈值切换，采用 5% 负载滞环区间，配合动态死区调整，抑制电流尖峰；
SiC 驱动振荡：栅极串联 RC 缓冲电路，驱动电压严格控制在 15V±0.5V，负压关断确保 - 3V 稳定；
过零畸变：在电压过零点前后 10° 电角度内，降低电流环带宽，避免电流断续；
EMI 超标：增加 X/Y 电容与共模电感的两级滤波，功率器件布局远离控制电路，减少电磁耦合。

混合 TCM/CCM 控制的交错式 TTP PFC，通过拓扑革新、控制策略优化与宽禁带器件应用，完美解决了高功率服务器电源 “高效、高密度、宽负载适配” 的核心诉求。其 97.5% 峰值效率、62W/in³ 功率密度的表现，不仅满足 80PLUS Ruby 最高能效认证，更适配 AI 服务器的严苛运行要求。ST 提供的 STM32G474 主控方案、STEVAL-TTPPFC01 评估板及完整 SDK，可大幅缩短开发周期，加速产品落地。