安森美SiC MOSFET在超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用

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(gè)1U機(jī)架通常只有5 kW，增加到現(xiàn)在的20 kW、30 kW 或更高。

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(yán)格的OpenRack V3 (ORV3) 基本規(guī)范，要求30%到100%負(fù)載下的峰值效率達(dá)到97.5%以上，并且10%到30%負(fù)載下的最低效率達(dá)到94%。

電源拓?fù)?/p>

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(jí)實(shí)現(xiàn)高能效至關(guān)重要，該級(jí)負(fù)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IEC61000-3-2 等法規(guī)中的電磁兼容性(EMC)標(biāo)準(zhǔn)，并確保符合ENERGYSTAR等能效規(guī)范，PFC設(shè)計(jì)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?fù)?，這種拓?fù)渫ǔＳ糜跀?shù)據(jù)中心3kW 至8kW 系統(tǒng)的PFC功能塊。圖騰柱PFC級(jí)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：圖騰柱PFC拓?fù)?/p>

為了達(dá)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(jí)均采用SiCMOSFET 作為快速開關(guān)橋臂，并使用硅基超級(jí)結(jié)MOSFET作為相位或慢速橋臂。

與超級(jí)結(jié)MOSFET等硅(Si)MOSFET 相比，SiCMOSFET 具有更好的性能和更高的能效。它們?cè)诟邷叵卤憩F(xiàn)出色，具有更強(qiáng)的穩(wěn)健性，并能在更高的開關(guān)頻率下運(yùn)行。

與SiMOSFET 相比，SiCMOSFET 在輸出電容中存儲(chǔ)的能量(EOSS)更少，這在PFC級(jí)的低負(fù)載條件下至關(guān)重要，因?yàn)樵诘拓?fù)載運(yùn)行下，開關(guān)損耗在整個(gè)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SiMOSFET 相比，SiCMOSFET 具有更好的正溫度系數(shù)RDS(ON)。

這意味著，SiCMOSFET 的導(dǎo)通電阻在結(jié)溫升高時(shí)增幅小于SiMOSFET。在175oC等高溫下，SiCMOSFET 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(jí)結(jié)MOSFET與安森美(onsemi)650V SiC MOSFET 的關(guān)鍵參數(shù)。

SiCMOSFET 助力實(shí)現(xiàn)高能效

在眾多SiCMOSFET 產(chǎn)品中，安森美650V 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(jí)能效。

M3SEliteSiC 技術(shù)性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(chǔ)的電荷(QOSS)也減少了44%。用于PFC級(jí)的硬開關(guān)拓?fù)渲袝r(shí)，這個(gè)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(jiǎn)化了LLC級(jí)軟開關(guān)拓?fù)涞闹C振儲(chǔ)能電感設(shè)計(jì)。

得益于出色的開關(guān)性能和能效，M3SEliteSiC MOSFET 散發(fā)的熱量更少。此外，MOSFET的柵極電荷Qg在同電壓等級(jí)的產(chǎn)品中表現(xiàn)出色，能夠降低柵極驅(qū)動(dòng)損耗。同時(shí)，出色的Qgs和Qgd也有效降低了開關(guān)導(dǎo)通和關(guān)斷損耗。

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(shí)，需要對(duì)輸出電容進(jìn)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?yàn)樗梢宰畲笙薅鹊販p少諧振儲(chǔ)能的循環(huán)損耗，并縮短LLC的死區(qū)時(shí)間，從而減少初級(jí)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(biāo)準(zhǔn)，這使得SiCMOSFET 成為數(shù)據(jù)中心PFC和LLC級(jí)的首選方案。

相較于市場(chǎng)上的眾多其他SiCMOSFET 產(chǎn)品，基于相同的RDS(ON)，安森美650VEliteSiC MOSFET 在成本、EMI、高溫運(yùn)行和開關(guān)性能方面，可與超級(jí)結(jié)MOSFET競(jìng)爭(zhēng)。650VM3S EliteSiC MOSFET 的RDS(ON)低于相同封裝的超級(jí)結(jié)MOSFET，這提升了LLC拓?fù)涞南到y(tǒng)能效，同時(shí)，由于其開關(guān)損耗遠(yuǎn)低于硅基替代品，因此性能表現(xiàn)優(yōu)于后者。

圖：M3S650V EliteSiC MOSFET 產(chǎn)品組合