全新功率半導體技術助力數(shù)據中心節(jié)能

世界各地計算機數(shù)量眾多，耗能量也相當龐大，而支撐互聯(lián)網運作的數(shù)據中心就是一大耗能實例。在一個典型的數(shù)據中心設施中，其實只有不到一半的功耗是用在計算功能上的。所以數(shù)據中心運營商千方百計尋找機會來提高功率轉換效率和分配效率，例如通過高壓直流源的分配來減小轉換級的數(shù)目。

在美國，供電網把大約13 800Vac的交流電配送到各個社區(qū)，最后利用變壓器(不對能耗產生顯著影響)將電壓降為480Vac。而每個數(shù)據中心幾乎都備有一個UPS(不間斷電源)?？墒牵@個功率調節(jié)級的效率可能只有70%。在服務器機架上，208Vac的交流電壓被轉換為12或48Vdc的直流電壓，再降壓至處理器、硬盤驅動器和內存所需的總線電壓。

圖1 一個典型數(shù)據中心的功率轉換級

以一個每板帶兩個處理器的滿裝服務器機架為例，假設轉換效率為90%，若功耗為5kW，則會浪費500W的能量。高性能低壓MOSFET具有更低的導通阻抗和更低的開關損耗，能夠提高這些轉換級的效率。

上一代降壓轉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。

先進的低壓功率MOSFET降低損耗
在20世紀90年代中期以前，因為傳導損耗(I2R)仍是總功耗的主要成分，低壓功率MOSFET的開發(fā)焦點一直放在RDS(ON)上。隨著開關頻率的上升，研究人員開始逐漸關注柵極電容和柵極電荷。圖2所示為功率MOSFET品質因數(shù)(歸一化RSP和RSP?QGD)的變化趨勢。在過去14年間，這些參數(shù)減小了近10倍。

圖2 30V功率MOSFET的品質因數(shù)的變化趨勢

業(yè)界已開發(fā)出數(shù)種能夠減小導通阻抗和柵極電荷的新技術，其中一種技術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。它也有利于降低導通阻抗和柵極電荷，因為現(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)以及更低的導通阻抗，同時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