*本論文摘要由PCIM官方授權發布
內容摘要
400V SiC MOSFET技術可實現更低的開關損耗和導通損耗。簡要介紹了該裝置的概念和特性。在用於伺服器應用的電源(PSU)中對其優勢進行了研究，該電源在176V-265V交流輸入和50V輸出電壓下可提供3.3kW的功率。本設備採用三電平飛跨電容圖騰柱PFC。文中討論了啟動期間對飛跨電容充電的注意事項。 PSU的尺寸為72mmx40mmx192mm，在230VAC輸入電壓下，PSU總峰值效率超過97.6%，功率密度大於100W/in³。
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Sep . 2025
PCIM2025論文摘要 | 400V SiC MOSFET輔助伺服器和人工智慧電源實現更高的效率和功率密度
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簡介
伺服器和電信應用的發展趨勢是功率密度不斷提高。例如，開放運算專案（OCP）的伺服器電源裝置（PSU）規格在去年將功率密度提高了1.5倍[1]，[2]。為了滿足這些功率密度要求，我們需要縮小所有元件的尺寸，尤其是被動元件。隨著新型400V SiC MOSFET的問世，可實現兼具更小的導通電阻，更小的閘極電荷，輸出電荷和反向恢復電荷，以及實現輸出電容，米勒電容（漏極與閘級之間的電容）與漏極電壓之間更好的線性關係的功率半導體元件[3]。與之相連的超低開關損耗和傳導損耗可望顯著提高系統效率和功率密度，並使這些裝置完美地適用於輸入電壓有效值高達350 V AC的三電平拓撲結構[3]。文獻[4]中介紹的伺服器PSU就是一個可實現功率密度和所需效能的範例。它採用了交錯圖騰柱PFC，從而縮小了EMI濾波器的尺寸，採用了高頻（500 kHz）LLC設計，並在PCB變壓器中整合了同步整流器(SR)，實現了非常緊湊的DC-DC轉換器解決方案。此外，由於增加了保持時間延長電路，因此減少了大容量電容器，從而在峰值效率為97.4%的情況下實現了近100 W/in3。該解決方案與使用配備400V SiC MOSFET的三電平飛跨電容器(3LFC)PFC轉換器的實施方案進行了比較，LLC和SR級保持不變。分析了具有高可靠性的三電平飛跨電容PFC電路的主要設計問題。實驗結果表明，PFC扼流圈體積減小，表現提高，峰值效率超過97.6%。
400V SiC MOSFET
圖1. 具有非對稱通道的SiC通道MOSFET概念
圖2. 400V技術實現的參數改進（TO-263-3相同晶片尺寸）
圖3. 400V和650V SiC MOSFET開關損耗的比較
圖4. 400V SiC-MOSFET體二極體在不同電流下的換向
圖1給出了遵循先前介紹的設計方法[5]的英飛凌SiC MOSFET晶胞的橫截面示意圖。主動通道沿著a平面排列，以提供最佳的通道遷移率和最低的界面阱密度。柵極氧化物由深p阱保護，深p阱與半導體表面的源電極相連。由於第二個溝槽側壁與該晶面不重合，因此不用作主動通道。相反，埋入的p區沿著非活動側壁與源電極連接。這樣就實現了非常緊湊的晶胞設計，並與a面的高通道遷移率相結合，實現了低特定區域導通電阻。雖然這種新型400V MOSFET與先前推出的第一代裝置有許多相似之處[5]，但它得益於該技術的不斷改進，從而明顯縮小了晶胞單元間距，改善了溝道特性，並提高了對漂移區特性的控制。此外，還對晶片設計進行了精心優化，以避免不必要的主動面積損失，例如透過優化結終端設計。
圖2比較了新型400V和650V CoolSiC™技術的關鍵元件參數。圖3比較了三電平拓樸結構典型條件下的開關損耗。由於兩個裝置串聯，因此需要導通電阻為一半的裝置。不過，由於FOM更好，裝置上的電壓更低，因此開關損耗要低得多。圖4顯示了體二極體在不同漏極電流下的換向波形。測量結果表明，儘管應用了較高的di/dt變化率，但二極體的換向穩定性極佳，反向恢復電荷極低，而且對工作電流的依賴性幾乎可以忽略不計。
三電平飛跨電容PFC
多電平拓樸結構是高功率密度設計的理想選擇[4,5]。採用移相調變的飛跨電容器PFC可大幅減少PFC扼流圈的體積：實際工作頻率增加一倍，而開關節點上的電壓則減半。因此，與兩電平圖騰柱PFC相比，電感可減少75%。儘管在3L-PFC中使用的是額定全電流的單一扼流圈，但與交錯圖騰極相比，PFC扼流圈的體積最多可減少60%，參見圖5。由於兩種拓撲結構的輸入電流相同，因此這兩種解決方案共用相同的EMI濾波器。同樣的方法也適用於母線電容的尺寸，兩種方案都使用了相同的保持擴展電路。在減少PFC扼流圈體積的同時，也提高了轉換器的性能。儘管3LFC需要較低的Rdson裝置（兩個裝置串聯在電感電流通路中），但400V裝置的優越性能（圖2）使得輕載到中載的效率得以提高。圖6比較了57mΩ 650V的交錯圖騰極[3]與25mΩ 400V的建議推薦的3LFC[3]的效率，後者效率提高了0.3%。
啟動過程中的飛跨電容器充電
圖5. [3]中實現的交錯圖騰柱PFC與建議的3LFC-PFC的比較
圖6. 採用25mΩ 400V SiC的3LFC-PFC和採用57mΩ 650V SiC的交錯圖騰柱（左）在230 VAC下的PFC測量效率，以及採用3LFC-PFC的3.3kW伺服器PSU的3D渲染圖（右）。
圖7. 3L-PFC啟動（左）和300 VAC測試（右）的建議解決方案簡圖
在使用飛跨電容多電平拓撲結構時，一個主要的問題是飛跨電容（FC）在啟動期間的充電問題，因為充電路徑被多電平結構的堆疊裝置阻擋。不同的應對方案[4,5]都旨在避免在輸入電壓升高時，如果飛跨電容器沒有充電，則功率裝置承受的電壓超標的問題。這些解決方案要么需要控制干預並依賴轉換器的偏置，要么基於被動解決方案，無法在穩態運行期間斷開。在所有情況下，都需要額外的元件（如繼電器、TVS二極體）或修改的調變方案，這對PSU的功率密度和效率都有影響。
圖7展示了另一種在啟動過程中為飛跨電容器充電的解決方案，可將400V SiC裝置保持在擊穿電壓（VACpeak=422V時的最大VDS,max=331V）之下。建議的電路由一個電流源組成，在施加交流電壓時為飛跨電容器提供充電路徑。此電流源自動啟用，並在FC電壓達到目標值時停用。
此建議的解決方案獨立於控制，可在穩態運行期間移除。此外，還採用了一個啟動單元（線性穩壓器），以消除對輸入電壓上升時間和偏壓轉換器啟動時間的依賴。圖7（右）顯示了300V電壓下的啟動測試波形。建議的解決方案只需很小的面積，就能與飛跨和400V SiC裝置整合在電源板上。
參考資料
[1] 開放式運算專案（OCP），Open Rack V3 48V PSU 規格修訂版：1.0。可上網取得：http://www.opencompute.org（瀏覽日期：2024 年 10 月 1 日
[2] 開放運算專案 (OCP)，開放機架 V3 48V 5.5kW PSU 規範修訂版：0.2。可在線獲取： http://www.opencompute.org （2024 年 10 月 1 日訪問
[3] R.Siemieniec, M. Wattenberg, M. Kasper, J. Bhandari, W.-J. Chen, H. Shim, A. Pignatelli, S. Jagannath, "New 400 V SiC MOSFET and its use in Multi-Level Applications", Proc.歐洲 ECCE 展覽會，德國達姆施塔特，德國達姆施塔特
[4] A.Laneve, M-A.Kutschak, D. Meneses and M. Escudero, "High-Density 3.3 kW GaN Rectifier for Server Applications Comprising a 130 kHz
Totem-Pole PFC and a 500 kHz LLC," Proc.歐洲 PCIM 展覽會，德國紐倫堡，2024 年
[5] D.Peters, T. Basler, B. Zippelius, T. Aichinger, W. Bergner, R. Esteve, D. Kueck and R. Siemieniec.: The new CoolSiC™ Trench MOSFET
Technology for Low Gate Oxide Stress and High Performance, Proc.歐洲 PCIM 展覽會，德國紐倫堡，2017 年
文章來源：英飛凌工業半導體