【導(dǎo)讀】如今，數(shù)據(jù)中心迫切需要能夠高效轉(zhuǎn)換電能的功率半導(dǎo)體，以降低成本并減少排放。更高的電源轉(zhuǎn)換效率意味著發(fā)熱量減少，從而降低散熱成本。
如今，數(shù)據(jù)中心迫切需要能夠高效轉(zhuǎn)換電能的功率半導(dǎo)體，以降低成本并減少排放。更高的電源轉(zhuǎn)換效率意味著發(fā)熱量減少，從而降低散熱成本。
電源系統(tǒng)需要更低的系統(tǒng)總成本和緊湊的尺寸；因此必須提高功率密度，尤其是數(shù)據(jù)中心的平均功率密度正在迅速攀升。從十年前的每個1U機架通常只有5 kW，增加到現(xiàn)在的20 kW、30 kW 或更高。
圖1：數(shù)據(jù)中心供電：從電網(wǎng)到GPU
電源供應(yīng)器(PSU)還必須滿足數(shù)據(jù)中心行業(yè)的特定需求。人工智能數(shù)據(jù)中心的PSU應(yīng)滿足嚴格的Open Rack V3 (ORV3) 基本規(guī)范，要求30%到100%負載下的峰值效率達到97.5%以上，并且10%到30%負載下的最低效率達到94%。
電源拓撲
作為PSU中交流/直流轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部分，在功率因數(shù)校正(PFC)級實現(xiàn)高能效至關(guān)重要，該級負責(zé)調(diào)整輸入電流，從而最大限度地提高有用功率與總輸入功率的比率。為滿足IEC 61000-3-2 等法規(guī)中的電磁兼容性(EMC)標準，并確保符合ENERGY STAR?等能效規(guī)范，PFC設(shè)計是關(guān)鍵所在。
在許多應(yīng)用中，最佳方法是采用“圖騰柱”PFC拓撲（圖2），這種拓撲通常用于數(shù)據(jù)中心3 kW 至8 kW 系統(tǒng)的PFC功能塊。圖騰柱PFC級基于MOSFET，通過移除體積大且損耗高的橋式整流器，提高了交流電源的能效和功率密度。
圖2：圖騰柱PFC拓撲
為了達到97.5%的能效，圖騰柱PFC需要使用碳化硅(SiC)等“寬禁帶”半導(dǎo)體的MOSFET。如今，所有PFC級均采用SiC MOSFET 作為快速開關(guān)橋臂，并使用硅基超級結(jié)MOSFET作為相位或慢速橋臂。
與超級結(jié)MOSFET等硅(Si) MOSFET 相比，SiC MOSFET 具有更好的性能和更高的能效。它們在高溫下表現(xiàn)出色，具有更強的穩(wěn)健性，并能在更高的開關(guān)頻率下運行。
與Si MOSFET 相比，SiC MOSFET 在輸出電容中存儲的能量(EOSS)更少，這在PFC級的低負載條件下至關(guān)重要，因為在低負載運行下，開關(guān)損耗在整個MOSFET功耗中占據(jù)了主要部分。較低的EOSS和柵極電荷可最大限度地減少開關(guān)過程中的能量損失，從而提高圖騰柱PFC快速橋臂的能效。此外，由于SiC器件具有出色的熱導(dǎo)率，相當(dāng)于硅基器件的三倍，因此與Si MOSFET 相比，SiC MOSFET 具有更好的正溫度系數(shù)RDS(ON)。
這意味著，SiC MOSFET 的導(dǎo)通電阻在結(jié)溫升高時增幅小于Si MOSFET。在175oC等高溫下，SiC MOSFET 的導(dǎo)通損耗較低，而導(dǎo)通損耗在總功率損耗中占據(jù)主要部分。
下表比較了目前市面上的650V超級結(jié)MOSFET與安森美(onsemi)650V SiC MOSFET 的關(guān)鍵參數(shù)。
SiC MOSFET 助力實現(xiàn)高能效
在眾多SiC MOSFET 產(chǎn)品中，安森美650 V M3S EliteSiC MOSFET（包括NTBL032N065M3S和NTBL023N065M3S）提供了出眾的開關(guān)性能，并顯著提高了超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的PFC和LLC級能效。
M3S EliteSiC 技術(shù)性能遠遠超過其前代產(chǎn)品，其中柵極電荷降低了50%，EOSS降低了44%，輸出電容中存儲的電荷(QOSS)也減少了44%。用于PFC級的硬開關(guān)拓撲中時，這個出色的EOSS數(shù)值能夠提高輕載下的系統(tǒng)能效。此外，較低的QOSS簡化了LLC級軟開關(guān)拓撲的諧振儲能電感設(shè)計。
得益于出色的開關(guān)性能和能效，M3S EliteSiC MOSFET 散發(fā)的熱量更少。此外，MOSFET的柵極電荷Qg在同電壓等級的產(chǎn)品中表現(xiàn)出色，能夠降低柵極驅(qū)動損耗。同時，出色的Qgs和Qgd也有效降低了開關(guān)導(dǎo)通和關(guān)斷損耗。
圖3：650V M3S EliteSiC MOSFET 的優(yōu)勢
在LLC功能塊中，當(dāng)VDS從關(guān)斷狀態(tài)轉(zhuǎn)換到二極管導(dǎo)通狀態(tài)時，需要對輸出電容進行放電。為了快速完成這一過程，必須使用低瞬態(tài)輸出電容。瞬態(tài)COSS之所以重要，是因為它可以最大限度地減少諧振儲能的循環(huán)損耗，并縮短LLC的死區(qū)時間，從而減少初級側(cè)的循環(huán)損耗。低導(dǎo)通電阻能夠最大限度地減少導(dǎo)通損耗，而低EOFF有助于最大限度地減少開關(guān)損耗。
總體而言，提升系統(tǒng)能效是最重要的性能標準，這使得SiC MOSFET 成為數(shù)據(jù)中心PFC和LLC級的首選方案。
相較于市場上的眾多其他SiC MOSFET 產(chǎn)品，基于相同的RDS(ON)，安森美650V EliteSiC MOSFET 在成本、EMI、高溫運行和開關(guān)性能方面，可與超級結(jié)MOSFET競爭。650V M3S EliteSiC MOSFET 的RDS(ON)低于相同封裝的超級結(jié)MOSFET，這提升了LLC拓撲的系統(tǒng)能效，同時，由于其開關(guān)損耗遠低于硅基替代品，因此性能表現(xiàn)優(yōu)于后者。
圖4：M3S 650V EliteSiC MOSFET 產(chǎn)品組合
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