為何一個小改變就可以讓電源的整體系統(tǒng)效率提升至98%？

任何電子產(chǎn)品都離不開電源，隨著各個國家和地區(qū)能源標準的提升和用戶環(huán)保意識的增強，對電源效率的要求越來越高。產(chǎn)業(yè)鏈內的公司和工程師們?yōu)榱颂嵘娫葱剩瑴p少能源浪費也是較勁了腦汁。

最近，英飛凌分享了一個可以讓電源的整體系統(tǒng)效率提升至98%的案例，引起了<電子發(fā)燒友>的注意。據(jù)英飛凌電源管理及多元化市場事業(yè)部大中華區(qū)開關電源應用高級市場經(jīng)理陳清源介紹說，目前在大型數(shù)據(jù)中心，標準的功率密度大概是平均每個機架3kW，而且現(xiàn)在系統(tǒng)廠商普遍要求，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定度的前提下，整體系統(tǒng)的效率要超過96%，越高越高。因為數(shù)據(jù)中心散熱也是一筆不小的開支，而效率的提升可以降低散熱的成本。

圖1：英飛凌3300W圖騰柱PFC電源演示板。（來源：英飛凌）

英飛凌這個針對數(shù)據(jù)中心的電源解決方案實現(xiàn)了98%的整體系統(tǒng)效率，陳清源表示，這主要是因為使用了英飛凌新近推出的650V CoolSiC MOSFET和專用的單通道和雙通道電氣隔離EiceDRIVE柵極驅動電路IC。

圖2：英飛凌電源管理及多元化市場事業(yè)部大中華區(qū)開關電源應用高級市場經(jīng)理陳清源。

具體的方案框架如圖3所示，上圖采用的是PFC圖騰柱，LLC是一個軟開關。圖騰柱部分使用的是SiC。如果只需要滿足96%的效率，在LLC上可以選用硅芯片，這樣成本可以做到最優(yōu)。由于PFC的效率可以達到99%，使用了硅基芯片的LLC的效率可以達到97%，整體效率能夠滿足96%的需求。

而如果將LLC也換成SiC器件的話，它的效率也可以達到99%，這樣整個系統(tǒng)的效率就會達到98%。

圖3：英飛凌的高效率電源解決方案。（來源：英飛凌）

陳清源承認，98%是一個比較極限的值，要想達到這個效率，需要使用到650V CoolSiC MOSFET和與之配套的EiceDRIVE柵極驅動電路IC，如果使用其他杉機驅動IC，可能系統(tǒng)效率就達不到98%了。

為何英飛凌的這兩顆芯片可以做到？

陳清源解釋說，這是因為碳化硅的驅動方式與傳統(tǒng)硅器件的驅動方式是不一樣的，而EiceDRIVE柵極驅動電路IC是專門針對英飛凌碳化硅器件而設計的，搭配使用可以達到更好的效果，更高的穩(wěn)定度。

650V CoolSiC MOSFET是英飛凌在今年2月份推出的碳化硅系列產(chǎn)品，該系列目前有8個不同的產(chǎn)品，采用兩種插件TO-247封裝：一種是典型的TO-247 3引腳封裝，另一種是支持開關損耗更低的TO-247 4引腳封裝。

圖4：英飛凌650V CoolSiC MOSFET。

新發(fā)布的這8個產(chǎn)品主要針對工業(yè)電源、光伏、充電樁、不間斷電源系統(tǒng)、以及能源儲存等應用場景。不過，陳清源指出，未來英飛凌陸續(xù)會推出更多的封裝來應對不同的市場應用，他預計會推出50個以上的產(chǎn)品。

他同時強調，英飛凌在碳化硅產(chǎn)品的可靠性方面做了很多工作，比如增加堅固耐用度；優(yōu)化在柵極氧化層的可靠度；為了防止誤導通，VGS重新設計在大于4V上；在一些特殊的拓撲，例如CCM圖騰柱的拓撲加入了硬換相的體二極管等等。

在易用性方面，放寬了VGS的電壓范圍，在0V電壓可以關斷VGS，不需要跟氮化鎵一樣做一個負電壓。

圖5：溝槽式與平面式MOSFET的可靠性和性能對比。（來源：英飛凌）

在陳清源看來，柵極氧化層是設計上的一大難點，因為它會影響產(chǎn)品的可靠度。

目前在碳化硅的工藝上面、前端的工藝，主要有兩個主流：一個是平面式，一個是溝槽式，英飛凌采取的是溝槽式，“因為我們溝槽式的經(jīng)驗來自于CoolMOS這十幾二十年的工作經(jīng)驗，我們得到了很多的專業(yè)技術。也就是我們在用溝槽式的設計可以達到性能的要求，而不會偏離它的可靠度。就以碳化硅MOS為例，可能在同樣的可靠度上面，碳化硅溝槽式的設計會遠比平面式的碳化硅MOS擁有更高的性能。”他表示。

圖6：Qrr和Qoss。

對于硬換向的拓撲， Qrr和Qoss是兩個很重要的參數(shù)。英飛凌的CoolMOS一個系列有快速二極管在里面。但是事實上這個系列是為了硬換向的拓撲，有了碳化硅之后，這個碳化硅因為物理特性、產(chǎn)品的特性，事實上它在的Qrr是遠低于硅器件的體二極管。

再看Qoss，事實上這個參數(shù)也更低。所以說這個部分很適合在硬換向的拓撲可以達到更高的效率、更好的設計。當然其它競品、其它供應商，他們也有碳化硅和MOSFET，他們也會涉及到這兩個參數(shù)RDS(on)*Qrr， RDS(on)*Qoss。從各個供應商來看，“事實上它的參數(shù)的值都比英飛凌要高，表示這個技術上面我們還是取得不錯的領先跟主導。甚至有一些供應商，它有一些參數(shù)是不標的，RDS(on)*Qrr 、 RDS(on)*Qoss是不標的，不標對工程師在設計上造成蠻大的困難，我們也跟業(yè)界的領導廠商也有很多討論，他們也針對這些參數(shù)也跟我們討論了很多。他們也很感謝，說英飛凌把整個規(guī)格書寫的很清楚。我們有控制、有規(guī)范?！标惽逶醋院赖乇硎?。

他還舉了一個實例來說明碳化硅器件的好處。使用了碳化硅的圖騰柱PFC設計可以得到很高的效率。

圖7：英飛凌的圖騰柱PFC解決方案。

“剛剛我提到我們有四個RDS(on)，這邊我們挑了48 mΩ、72 mΩ、107 mΩ在這個圖騰柱的設計，搭配英飛凌CFD7的一個S7系列，在圖騰柱拓撲的設計。我們用了48 mΩ，事實上它的效率可以在PFC達到 99%。”陳清源表示。

在以前，以硅的技術，事實上是很不容易做到。不能說：“不可能做到?！钡鞘呛懿蝗菀鬃龅?，有這個好的器件事實上讓工程師節(jié)省了很多的精力。

而配合英飛凌的驅動IC，事實上可以讓整個性能更加的優(yōu)化，以及說它設計的穩(wěn)定度更好。當然如果有的客戶基于成本的考量，他不需要到99%，到97%、96%就可以了，“至少我們還有其它的選項，像72 mΩ、107 mΩ，事實上它的效率在重載的時候效率就比較低了，因為它的導通靜態(tài)程式就比較多。”

“這是一個很好的例子，就是說，以前做不到的，還是以前很不容易做到的，借由器件的優(yōu)化、器件的突破，可以做到一個99%，接近零耗損的一個PFC?！标惽逶凑f。

碳化硅市場的機遇

根據(jù)今年IHS的預估，今年碳化硅市場會有近5000萬美元的市場份額。再往后到2028年，市場份額會達到1億6000萬美元。目前，碳化硅主要應用是電源供應器、不間斷電源、電動汽車充電、馬達驅動還有光伏跟儲能的部分。其中，最大的部分來自電源。

圖8：650V SiC MOSFET的市場和應用。

更為重要的是，碳化硅市場的年復合增長率是16%，這個數(shù)字相當有吸引力，從而吸引了很多競爭者進入這個市場。