全新功率半導(dǎo)體技術(shù)助力數(shù)據(jù)中心節(jié)能

世界各地計(jì)算機(jī)數(shù)量眾多，耗能量也相當(dāng)龐大，而支撐互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)作的數(shù)據(jù)中心就是一大耗能實(shí)例。在一個(gè)典型的數(shù)據(jù)中心設(shè)施中，其實(shí)只有不到一半的功耗是用在計(jì)算功能上的。所以數(shù)據(jù)中心運(yùn)營商千方百計(jì)尋找機(jī)會(huì)來提高功率轉(zhuǎn)換效率和分配效率，例如通過高壓直流源的分配來減小轉(zhuǎn)換級(jí)的數(shù)目。

在美國，供電網(wǎng)把大約13 800Vac的交流電配送到各個(gè)社區(qū)，最后利用變壓器(不對(duì)能耗產(chǎn)生顯著影響)將電壓降為480Vac。而每個(gè)數(shù)據(jù)中心幾乎都備有一個(gè)UPS(不間斷電源)。可是，這個(gè)功率調(diào)節(jié)級(jí)的效率可能只有70%。在服務(wù)器機(jī)架上，208Vac的交流電壓被轉(zhuǎn)換為12或48Vdc的直流電壓，再降壓至處理器、硬盤驅(qū)動(dòng)器和內(nèi)存所需的總線電壓。

圖1 一個(gè)典型數(shù)據(jù)中心的功率轉(zhuǎn)換級(jí)

以一個(gè)每板帶兩個(gè)處理器的滿裝服務(wù)器機(jī)架為例，假設(shè)轉(zhuǎn)換效率為90%，若功耗為5kW，則會(huì)浪費(fèi)500W的能量。高性能低壓MOSFET具有更低的導(dǎo)通阻抗和更低的開關(guān)損耗，能夠提高這些轉(zhuǎn)換級(jí)的效率。

上一代降壓轉(zhuǎn)換器采用肖特基二極管和60V額定電壓的功率MOSFET，效率為80%～85%；而現(xiàn)在使用的功率MOSFET產(chǎn)品，即使處理器輸入電壓下降，也能夠獲得90%以上的效率。

先進(jìn)的低壓功率MOSFET降低損耗
在20世紀(jì)90年代中期以前，因?yàn)閭鲗?dǎo)損耗(I2R)仍是總功耗的主要成分，低壓功率MOSFET的開發(fā)焦點(diǎn)一直放在RDS(ON)上。隨著開關(guān)頻率的上升，研究人員開始逐漸關(guān)注柵極電容和柵極電荷。圖2所示為功率MOSFET品質(zhì)因數(shù)(歸一化RSP和RSP?QGD)的變化趨勢(shì)。在過去14年間，這些參數(shù)減小了近10倍。

圖2 30V功率MOSFET的品質(zhì)因數(shù)的變化趨勢(shì)

業(yè)界已開發(fā)出數(shù)種能夠減小導(dǎo)通阻抗和柵極電荷的新技術(shù)，其中一種技術(shù)就是在柵極溝槽底部采用一層加厚的氧化層(見圖3)。這種方案不僅有助于降低柵漏電容(CGD)，還能增大漂移區(qū)的阻抗。它也有利于降低導(dǎo)通阻抗和柵極電荷，因?yàn)楝F(xiàn)在可以一方面通過薄柵極氧化層來獲得更低的Vth(閾值電壓)以及更低的導(dǎo)通阻抗，同時(shí)又可以在溝槽底部采用加厚氧化層以獲得最低的CGD。

圖3 底部帶加厚氧化層的功率MOSFET器件橫截面圖