在數(shù)據(jù)中心電源和電信整流器中使用 SiC FET

我們可以預(yù)見(jiàn)，隨著 5G 網(wǎng)絡(luò)的部署，在世界范圍內(nèi)將有大規(guī)模的擴(kuò)建浪潮，并需要許多高質(zhì)量的電信整流器來(lái)提供所需的電力。為了滿足提高效率、降低運(yùn)營(yíng)成本和降低物料清單成本的需求，人們對(duì)寬帶隙解決方案重新產(chǎn)生了興趣。同樣，人們也在不斷努力提升服務(wù)器電源，使其能效水平不斷提高，同時(shí)將熱量損耗降至最低?，F(xiàn)在，為數(shù)字經(jīng)濟(jì)、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和人工智能提供動(dòng)力的超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心使用 30KW 以上的服務(wù)器機(jī)架和高度復(fù)雜的冷卻管理系統(tǒng)運(yùn)行。

具有更大天線陣列（多達(dá) 64 發(fā)送/64 接收）、可將數(shù)據(jù)速率提升 100-1000 倍以及服務(wù)于構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)萬(wàn)億器件的 5G 網(wǎng)絡(luò)，似乎需要更大的功率。為了減少每個(gè)基站所需的功率，人們已經(jīng)進(jìn)行了許多技術(shù)改進(jìn)，但是卻可能需要更多的基站。為了提供先進(jìn)的電源管理方法，從待機(jī)狀態(tài)到滿負(fù)荷狀態(tài)，這些基站的電源必須滿足越來(lái)越嚴(yán)格的效率要求。

SiC FET 的新產(chǎn)品可以實(shí)現(xiàn)以前無(wú)法實(shí)現(xiàn)的效率目標(biāo)，而且我們將在本文中研究主要的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和器件功能。我們將討論在這一領(lǐng)域中我們可能會(huì)了解到的情況，在這個(gè)領(lǐng)域中，硅基超結(jié)、SiC FET 和氮化鎵 (GaN) FET 都將參與競(jìng)爭(zhēng)。

一些基礎(chǔ)知識(shí)

這些電源的共同點(diǎn)是功率因數(shù)校正 (PFC) 段，該段以接近單位功率因數(shù)將交流整流為直流，輸出電壓為 400V，隨后是一個(gè)直流轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器將 400V 轉(zhuǎn)換為 48V 或 12V，供系統(tǒng)內(nèi)使用。然后，其他負(fù)荷點(diǎn)轉(zhuǎn)換器為 CPU 和存儲(chǔ)庫(kù)供電。

如果檢查一下數(shù)據(jù)中心服務(wù)器電源的使用情況，那么很明顯，其大部分使用壽命都花在中輕負(fù)荷上。因此，PFC 段和直流-直流段必須在所有負(fù)荷條件下都具有高效率，同時(shí)還要滿足峰值負(fù)荷運(yùn)行的熱約束。用于計(jì)算電源的眾所周知的 80 Plus 標(biāo)準(zhǔn)可以展示這一點(diǎn)，如圖 1 所示。服務(wù)器必須滿足鈦金標(biāo)準(zhǔn)，即使在 10％ 的負(fù)荷下也要保持高效率。圖 2 展示了開放運(yùn)算計(jì)劃 (Open Compute Project) 的典型規(guī)格，該規(guī)格的要求高于 3.3KW 級(jí)電源的鈦金標(biāo)準(zhǔn)。

圖 1：展示了計(jì)算電源效率目標(biāo)的 80 Plus標(biāo)準(zhǔn)

圖 2：來(lái)自開放運(yùn)算計(jì)劃的 3.3KW 服務(wù)器電源規(guī)格

圖 3 展示了典型的電源體系結(jié)構(gòu)，包括輸入橋式整流器、配有 650V FET 的簡(jiǎn)單雙交錯(cuò)升壓轉(zhuǎn)換器 (PFC) 和 SiC 結(jié)勢(shì)壘肖特基 (JBS) 二極管，以及全橋 LLC 級(jí)直流轉(zhuǎn)換器。圖中未展示輸入 EMI 濾波器。PFC 級(jí)使用的典型開關(guān)頻率為 65-150kHz。這里，功率密度需要折衷，以實(shí)現(xiàn)較低頻率下的更高效率，因?yàn)樵?150kHz 而不是 30kHz 下開關(guān)，電感器就可以小很多。這導(dǎo)致需要使用帶有 SiC JBS 二極管的硅基超結(jié) MOSFET 來(lái)保持高效率，同時(shí)在 65-150kHz 下進(jìn)行硬開關(guān)。高度先進(jìn)的超結(jié) MOSFET 可以快速開關(guān)，而 SiC 肖特基二極管有助于最大程度地降低 MOSFET 的打開損耗。

圖 3：常用的電源配置。在輸入橋式整流器之后，是交錯(cuò)式 PFC 級(jí)和全橋 LLC 級(jí)

在電路的 LLC 級(jí)，通常也使用 650V MOSFET。該電路保持零電壓開關(guān) (ZVS) 運(yùn)行并降低了關(guān)閉電流，因此損耗要低得多，并允許在 100-500kHz 的更高頻率下工作，從而使變壓器體積更小。在副邊側(cè)，導(dǎo)通電阻極低的 80-150V 硅 MOSFET 用于整流高頻副邊交流電壓，以提供穩(wěn)定的直流輸出電壓。選擇使用 650V FET，以便在某些工作條件下 ZVS 丟失時(shí)，寄生二極管的恢復(fù)不會(huì)造成破壞。

半導(dǎo)體器件

再來(lái)看晶體管方面，在 PFC 級(jí)和直流轉(zhuǎn)換器的高壓側(cè)，通常使用 650V 級(jí)器件。表 1 概述了硅器件、GaN 器件和 SiC 器件的最新技術(shù)及其相關(guān)特性。就影響芯片尺寸的單位面積電阻 (RdsA) 而言，到目前為止，SiC FET（SiC JFET 的 RdsA）是最佳選擇。與硅基超結(jié)替代品相比，所有寬帶隙器件均具有出色的寄生二極管恢復(fù)性能。然而，只有 SiC 器件和硅器件能夠處理雪崩能量。增強(qiáng)型 GaN 器件的閾值電壓 (V_th) 也很低，再加上其速度和較窄的柵極電壓范圍，使其難以驅(qū)動(dòng)。

表 1：650V 晶體管選件的基本技術(shù)比較

表 2 展示了常用 TO247 封裝中的一些行業(yè)等效產(chǎn)品的比較。硅基超結(jié) (Si SJ) 器件和 UnitedSiC 的產(chǎn)品可通過(guò) 0 至 10V 驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。SiC MOS 選件需要不同的電壓（例如 -4V 至 18V）。SiC 器件均具有較低的輸入電容（柵極電荷），并大大降低了二極管恢復(fù)電荷 (Qrr)。硅基超結(jié)和 SiC FET 的寄生二極管導(dǎo)電損耗低于 SiC MOSFET。

表 2：TO247 封裝型中相似晶體管的參數(shù)比較

表 3 展示了 DFN8×8 占板空間中的相似器件的比較。硅基超結(jié)、SiC FET 和 GaN 器件都可以由標(biāo)準(zhǔn)的硅柵極驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。UnitedSiC 的 FET 產(chǎn)品具有非常低的導(dǎo)通電阻。最好使用最下方三行的性能表征比較具有不同的 150℃ RDS(ON) 的器件。寬帶隙解決方案提供了更好的性能表征，尤其是對(duì)于 Rds*C_oss(tr) 和 Rds*Qrr。

表 3：DFN8×8 封裝型中硅基驅(qū)動(dòng)兼容晶體管的參數(shù)比較

圖 4 展示了 SiC FET、GaN FET 和硅基超結(jié) FET 常用配置的截面體系結(jié)構(gòu)。GaN HEMT 是橫向器件，而其他器件類型是垂直器件。垂直電流流動(dòng)使較高電壓器件可以更緊湊地實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樵醇?jí)端子和漏級(jí)端子位于晶片的相對(duì)側(cè)，而不是在頂部表面上。在 GaN HEMT 中，傳導(dǎo)僅限于二維電子氣 (2DEG) 溝道，而 SiC 器件使用短表面溝道，但大部分用于承載電流。SiC JFET 具有大體積溝道，加上其垂直特性，其單位面積電阻 (RdsA) 最低，芯片尺寸也最小。然后用低壓硅 MOSFET 級(jí)聯(lián)（將電阻增加 10％），以形成 SiC FET。

圖 4：在數(shù)據(jù)中心電源和電信電源所用的 650V 領(lǐng)域中相互競(jìng)爭(zhēng)的半導(dǎo)體器件的體系結(jié)構(gòu)

隨著器件的改進(jìn)，最終的開關(guān)速度極限是由對(duì)器件輸出電容 C_oss 充電的負(fù)荷電流決定的。對(duì)于給定的導(dǎo)通電阻，低 C_oss(tr) 值可提供最快的壓擺率，以及達(dá)到 400V 的最短延遲時(shí)間。從表 3 可以明顯看出，SiC FET 在這方面表現(xiàn)非常出色，并且是高頻功率轉(zhuǎn)換的不錯(cuò)選擇。

就 Qrr 而言，與硅基超結(jié)器件相比，寬帶隙選件的性能均有大幅提高。因此，只要電路如在連續(xù)電流模式 (CCM) 圖騰柱 PFC 中一樣使用硬開關(guān)打開，就選擇這些器件。如果這些電路在續(xù)流狀態(tài)下使用寄生二極管導(dǎo)電，則寄生二極管的開態(tài)壓降會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)電損耗。因此，通常使用同步導(dǎo)電，打開 FET 溝道以減少這些損耗。在檢測(cè)電流反向與打開 FET 溝道之間通常會(huì)有一個(gè)延遲，在高頻下，這個(gè)時(shí)間就成為開關(guān)周期的重要組成部分。例如，如果開關(guān)頻率為 100kHz（10us 周期），則死區(qū)時(shí)間為 100ns，在此期間的二極管導(dǎo)電無(wú)關(guān)緊要。但在 1MHz（1000ns周期）的開關(guān)周期內(nèi)，它則變?yōu)?10％。因此，寄生二極管的低導(dǎo)電壓降 V_SD 和低 Qrr 是有用的特性，而 SiC FET 的兩者都很低。

此外，最有效的電路選件可避免硬打開，因?yàn)殡m然寬帶隙器件的關(guān)閉損耗可以忽略不計(jì)，但打開損耗卻不可以忽略不計(jì)。借助可用 FET 的低柵極電荷、低導(dǎo)通電阻和關(guān)閉損耗，可以將軟開關(guān)電路的頻率提高 5-10 倍。

在器件堅(jiān)固性方面，所有 SiC 選件均具有出色的雪崩能力，從而提高了轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)可靠性。盡管其芯片尺寸較小，但通?？梢猿^(guò)超結(jié) FET 的能力，尤其是在大電流電平下。GaN 器件無(wú)法處理雪崩，因此設(shè)計(jì)為具有高擊穿電壓，以避免出現(xiàn)此工作區(qū)。圖 5 展示了來(lái)自 UnitedSiC 的 40mohm、650V SiC FET 承受 80A 峰值雪崩電流（藍(lán)色）的范圍，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出任何實(shí)際需要。觀察到的擊穿電壓超過(guò) 800V （綠色）。

圖 5：UF3C065040K4S（40mohm、650V SiC FET 器件）的非鉗位電感測(cè)試波形。盡管 SiC JFET 尺寸很小，但該器件可承受 80A 以上的雪崩電流而不會(huì)出現(xiàn)故障

柵極驅(qū)動(dòng)的注意事項(xiàng)

使用 SiC FET 的關(guān)鍵簡(jiǎn)化之處在于，低壓 MOSFET 具有 5V 的閾值電壓 V_TH 和 +/-25V 的最大柵源電壓 V_GS(MAX) 額定值。它可以像硅基超結(jié) MOSFET 一樣以 0 到 10V（或12V）驅(qū)動(dòng)。圖 6 是各種技術(shù)的推薦柵極驅(qū)動(dòng)電壓與相應(yīng)柵極絕對(duì)最大額定值的比較。SiC MOSFET 通常采用負(fù)和正柵極驅(qū)動(dòng)，并且柵極電壓需要 20 至 25V 的總擺幅。柵極電壓通常非常接近絕對(duì)最大額定值，這需要仔細(xì)注意柵極尖峰。較大的柵極擺幅在較高頻率下可能會(huì)增加相當(dāng)大的柵極電荷損耗。此外，要管理閾值電壓 V_TH 磁滯問(wèn)題，必須認(rèn)真遵循制造商的建議來(lái)確定柵極驅(qū)動(dòng)電壓電平。SiC FET 在這方面非常靈活，不僅不需要對(duì)柵極電壓電平進(jìn)行如此仔細(xì)的控制，而且可以在與 SiC MOSFET 兼容的柵極電壓下驅(qū)動(dòng)。

圖 6：比較各種硅基和 SiC 器件類型的推薦柵極驅(qū)動(dòng)和柵極電壓最大額定值的圖表。SiC FET 具有獨(dú)特的通用性

增強(qiáng)型 GaN 器件通常具有較低的閾值電壓 V_th，并在狹窄的柵極電壓范圍內(nèi)驅(qū)動(dòng)，該范圍通常非常接近絕對(duì)最大柵源電壓 V_GS 極限。這需要專門的驅(qū)動(dòng)器和仔細(xì)的布局，以避免損壞開關(guān)。共源共柵選件可以避免其中一些困難。增強(qiáng)型器件的較低柵極電壓擺幅有利于降低較高頻率下的柵極損耗。

在所有情況下，隨著器件在更高的速度下使用，以高 dV/dt 保持器件關(guān)閉變得越來(lái)越具有挑戰(zhàn)性。管理電源環(huán)路和柵極驅(qū)動(dòng)環(huán)路電感的柵極電壓尖峰也是如此。采用帶有開爾文源級(jí)引腳的封裝會(huì)有很大作用，但是我們將在本文的后面部分中介紹其他選件。

電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)–PFC 級(jí)

圖 7 展示了圖騰柱 PFC (TPPFC) 電路，以及使用 UJC06505K 型 SiC FET 在 1.5KW 的 UnitedSiC 演示板上以 100kHz 測(cè)得的效率。該電路消除了來(lái)自輸入二極管橋和 SiC PFC 二極管的所有二極管導(dǎo)電損耗。在這種情況下，轉(zhuǎn)換器將以連續(xù)電流模式 (CCM) 模式運(yùn)行，并且對(duì)器件進(jìn)行硬開關(guān)。

圖 7：基本圖騰柱 PFC 電路，以及與鈦金標(biāo)準(zhǔn)相比較的效率數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)在 UnitedSiC 的演示板上使用 UJC06505K 型 SiC FET 測(cè)得

圖 8 展示了在設(shè)計(jì)時(shí)可與耦合電感器一起使用的交錯(cuò) TPPFC。該電路可以在連續(xù)電流模式下使用，也可以在臨界導(dǎo)通模式下以更高的頻率工作，因?yàn)檫@樣可以消除打開損耗。使用 SiC FET 可以在不犧牲效率的情況下實(shí)現(xiàn)非常高的功率密度，盡管在紋波電流較高且必須檢測(cè)電流過(guò)零點(diǎn)的情況下，控制和磁性設(shè)計(jì)的復(fù)雜性更高。

圖 8：交錯(cuò)圖騰柱 PFC，采用兩個(gè)快速開關(guān)和一個(gè)線頻開關(guān)半橋。耦合電感器方法允許使用臨界傳導(dǎo)模式運(yùn)行，從而可以顯著提高頻率

表 4 展示了使用圖 1 所示的交錯(cuò)式 PFC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和圖 8 的交錯(cuò)式圖騰柱 PFC 的損耗細(xì)分比較。在這兩種情況下，我們都假定一個(gè) 3KW 的轉(zhuǎn)換器以 100kHz 的頻率運(yùn)行每個(gè)開關(guān)。交錯(cuò)意味著電感器的紋波頻率為 200kHz。圖騰柱 PFC 的損耗降低了 25.7W（相對(duì)于 51.4A），從而可以實(shí)現(xiàn)鈦金標(biāo)準(zhǔn)的凈效率目標(biāo)。這是通過(guò)消除橋式整流器的 24.3W 損耗實(shí)現(xiàn)的。本示例中使用的圖騰柱 PFC 需要四個(gè)以上的 FET 和柵極驅(qū)動(dòng)。

表 4：使用 UJC06505K 在 CCM 模式下以 100kHz 實(shí)現(xiàn) 3KW 的交錯(cuò)式 PFC 與圖騰柱 PFC 電路的損耗和復(fù)雜度比較 

不需要檢測(cè)電流交叉的另一種方法是使用附加的輔助開關(guān)，以在打開時(shí)實(shí)現(xiàn)零電壓轉(zhuǎn)換。使用諸如輔助諧振變換極 (ARCP) 之類的諧振技術(shù)可消除打開和關(guān)閉損耗，從而獲得相似或更好的結(jié)果。然而，僅在功率遠(yuǎn)高于 5KW 時(shí)，更先進(jìn)技術(shù)才有性價(jià)比優(yōu)勢(shì)。

電路拓?fù)洙C直流-直流級(jí)

由于輸出電壓是固定的，因此圖 1 的全橋 LLC 轉(zhuǎn)換器可提供出色的功率密度和效率，并且目前已成為大功率電平應(yīng)用的工業(yè)主力。隨著功率降低，可以采用半橋 LLC 實(shí)施方案。常用頻率范圍為 100-500kHz，考慮到 12V 輸出的大電流電平，降低損耗的關(guān)鍵工作轉(zhuǎn)移到了變壓器副邊 MOSFET 和低壓副邊 MOSFET。

對(duì)于高壓 FET，漏源電壓 VDS 從其關(guān)閉狀態(tài)到二極管導(dǎo)電的過(guò)渡中需要對(duì)輸出電容進(jìn)行充電，并且為了快速進(jìn)行充電，C_OSS(TR) 必須低。但是，用戶必須在 FET 柵極進(jìn)行同步導(dǎo)電之前盡量縮短死區(qū)時(shí)間，以減少寄生二極管的導(dǎo)電損耗。開態(tài)下的低電阻可最大程度地減小導(dǎo)電損耗，大多數(shù)超結(jié)和寬帶隙開關(guān)的關(guān)閉能量 E_OFF 較低，有助于將開關(guān)損耗保持在最低水平。

如果在輕負(fù)荷條件下 ZVS 丟失，則可能發(fā)生二極管硬恢復(fù)。對(duì)于寬帶隙開關(guān)（例如 SiC FET），這樣雖然不會(huì)帶來(lái)任何風(fēng)險(xiǎn)，但會(huì)損壞硅基超結(jié) MOSFET。為了最大程度地減少這種可能性，通常使用快速恢復(fù)版本的超結(jié) FET，但無(wú)需對(duì) SiC FET 采取此類預(yù)防措施。

近期前景展望

盡管硅基超結(jié) FET 的改進(jìn)仍在繼續(xù)，但未來(lái)幾年 SiC 和 GaN 器件可能實(shí)現(xiàn)的改進(jìn)水平會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)硅器件所能達(dá)到的水平。除了改進(jìn)單位面積電阻 RdsA（每 2-3 年提高 30-50％）之外，預(yù)計(jì)封裝技術(shù)方面也會(huì)有很多改進(jìn)。要解決的主要挑戰(zhàn)是低電感和小型表面貼裝選件中如何更有效的散熱。

一種可能的途徑是升級(jí)為專為直接表面安裝使用而設(shè)計(jì)的半橋元件或作為電路板中的嵌入式元件的半橋元件。這樣就會(huì)簡(jiǎn)化電路板布局，并允許實(shí)現(xiàn)較低電感功率和柵極環(huán)路。

驅(qū)動(dòng)器與功率器件集成的另一種新興途徑是作為單個(gè)驅(qū)動(dòng)器加開關(guān)或作為半橋元件。由于大多數(shù) SiC 器件和 GaN 器件都需要獨(dú)特的驅(qū)動(dòng)電壓電平和電路，因此可以將這種復(fù)雜性吸收到共封裝或集成產(chǎn)品中，從而使用戶更輕松。此外，每個(gè)器件隨后都可以更好地發(fā)揮其全部潛力。無(wú)疑，這將進(jìn)一步節(jié)省系統(tǒng)成本和功耗，并推動(dòng)寬帶隙器件的采用。

沿著這些思路，本系列的前幾篇文章中介紹了具有集成半橋柵極驅(qū)動(dòng)器的 SIP 半橋，該驅(qū)動(dòng)器使用 35mohm，1200V SiC FET。許多供應(yīng)商都在提供表面安裝選件，并且這種趨勢(shì)可能會(huì)加速。

650V 寬帶隙開關(guān)的成本現(xiàn)在正在迅速下降。預(yù)計(jì)在未來(lái)兩年內(nèi)，UnitedSiC 的 650V FET 將與硅器件價(jià)格接近。隨著易用性的發(fā)展，這種趨勢(shì)有望迅速加速寬帶隙器件在服務(wù)器和電信電源應(yīng)用中的部署。