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世界各地計算機數量眾多，耗能量也相當龐大，而支撐互聯(lián)網(wǎng)運作的數據中心就是一大耗能實(shí)例。在一個(gè)典型的數據中心設施中，其實(shí)只有不到一半的功耗是用在計算功能上的。所以數據中心運營(yíng)商千方百計尋找機會(huì )來(lái)提高功率轉換效率和分配效率，例如通過(guò)高壓直流源的分配來(lái)減小轉換級的數目。 在美國，供電網(wǎng)把大約13 800Vac的交流電配送到各個(gè)社區，最后利用變壓器(不對能耗產(chǎn)生顯著(zhù)影響)將電壓降為480Vac。而每個(gè)數據中心幾乎都備有一個(gè)UPS(不間斷電源)�？墒�，這個(gè)功率調節級的效率可能只有70%。在服務(wù)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(pán)驅動(dòng)器和內存所需的總線(xiàn)電壓。 
圖1 一個(gè)典型數據中心的功率轉換級 以一個(gè)每板帶兩個(gè)處理器的滿(mǎn)裝服務(wù)器機架為例，假設轉換效率為90%，若功耗為5kW，則會(huì )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(kāi)關(guān)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(kāi)發(fā)焦點(diǎn)一直放在RDS(ON)上。隨著(zhù)開(kāi)關(guān)頻率的上升，研究人員開(kāi)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(歸一化RSP和 RSP·QGD)的變化趨勢。在過(guò)去14年間，這些參數減小了近10倍。
圖2 30V功率MOSFET的品質(zhì)因數的變化趨勢 業(yè)界已開(kāi)發(fā)出數種能夠減小導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(jiàn)圖3)。這種方案不僅有助于降低柵漏電容(CGD)，還能增大漂移區的阻抗。它也有利于降低導通阻抗和柵極電荷，因為現在可以一方面通過(guò)薄柵極氧化層來(lái)獲得更低的Vth(閾值電壓)以及更低的導通阻抗，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 還有一種技術(shù)就是采用電荷平衡或超級結器件結構。它最初是針對高壓器件開(kāi)發(fā)的，現在也可用于低壓器件。利用電荷平衡方案，可以在漂移區獲得兩維電荷耦合，因而能夠在漂移區采用更高的摻雜濃度，最終降低漂移阻抗。飛兆半導體通過(guò)采用第四個(gè)電極、屏蔽以及加厚氧化層，實(shí)現了這種概念，如圖4所示。
圖4 帶屏蔽電極的功率MOSFET器件橫截面圖 其他參數現在也變得更具相關(guān)性，例如，體二極管反向恢復、內部柵極阻抗以及MOSFET的輸出電荷(QOSS)。低壓MOSFET產(chǎn)品現在開(kāi)始針對二極管反向恢復以及輸出電容的最小化而優(yōu)化。在開(kāi)關(guān)頻率和輸出電流較高時(shí)，這些損耗元件的重要性便更為明顯。 封裝阻抗、電感及其熱特性也對功耗有著(zhù)重大影響，隨著(zhù)目前器件尺寸越來(lái)越小，以及組合封裝解決方案在應用中開(kāi)始逐漸流行，這一點(diǎn)便尤其顯著(zhù)。 在DC/DC轉換器應用中，重負載條件下，因傳導損耗，效率主要由導通阻抗決定；而在輕負載條件下，控制效率的主要因素是柵極電荷、反向恢復電荷和輸出電容。圖5顯示了不同輸出負載條件下，各個(gè)元件的相對功耗。
圖5 DC/DC轉換器中各個(gè)元件的相對功耗 最近幾年來(lái)，功率轉換半導體解決方案的開(kāi)發(fā)速度大大加快。2010年推出的器件的效率增益，特別是輕載條件下的效率增益，預計將有大幅度提高(如圖6所示)。
圖6 兩代功率MOSFET技術(shù)之間的效率比較 先進(jìn)的高壓器件降低AC/DC級的功耗 帶PFC的開(kāi)關(guān)模式電源通常運用在數據中心，而現在也常見(jiàn)于電信電源和白色家電，以執行第一級功率轉換。功率因數校正電路歷來(lái)都是采用整合了功率開(kāi)關(guān)(MOSFET或IGBT)和升壓二極管的升壓轉換器拓撲。不過(guò)，由于引入了軟恢復二極管(如飛兆半導體的Hyperfast Stealth)，可以去掉或簡(jiǎn)化緩沖電路，升壓轉換器可采用硬開(kāi)關(guān)模式來(lái)實(shí)現。通過(guò)Stealth二極管或SiC肖特基二極管與SupreMOS等新超級結技術(shù)的結合，設計人員能夠獲得更低的傳導損耗和開(kāi)關(guān)損耗，并簡(jiǎn)化柵極驅動(dòng)，減少EMI。 利用PFC不僅可以確保器件符合EN61000-3-2等規范標準，減少元件上的應力，從而減少諧波成分，增強可靠性；還能夠通過(guò)增大電源的最大功率來(lái)提高轉換效率。 AC/DC級的大多數大功率有源PFC設計都整合了一個(gè)連續電流模式(CCM)升壓轉換器拓撲，因為這種結構十分簡(jiǎn)單，并且具有很寬的AC 輸入電壓范圍。另一種PFC工作模式，臨界導通模式(BCM)，則用于低功率級。CCM升壓轉換器(如圖1所示)會(huì )采用硬開(kāi)關(guān)模式控制升壓二極管和開(kāi)關(guān)器件，但是硬開(kāi)關(guān)的缺點(diǎn)是二極管的反向恢復特性會(huì )增加開(kāi)關(guān)器件的導通損耗，并產(chǎn)生EMI。 二極管的反向恢復特性決定了它如何從正向傳導狀態(tài)轉換到反向電壓阻斷狀態(tài)。如果反向恢復電流過(guò)于突然地從IRRM(最大反向恢復電流)返回到零，就會(huì )產(chǎn)生電壓尖刺和嚴重的EMI。電路設計人員會(huì )通過(guò)降低開(kāi)關(guān)的導通di/dt，或者增加緩沖電路(snubber circuit)來(lái)減輕這種效應。在使用以前的二極管技術(shù)的年代，設計人員只能采用一個(gè)軟二極管或快速恢復二極管。不過(guò)，以往軟二極管技術(shù)的IRRM值很大，在二極管trr(反向恢復時(shí)間)期間會(huì )產(chǎn)生很大的導通損耗；同時(shí)，降低開(kāi)關(guān)導通速度也會(huì )增加開(kāi)關(guān)導通損耗。而增添緩沖電路又會(huì )增加成本和復雜性，并降低可靠性。除此之外，因為基本RC方案中緩沖電阻的功耗很大，使緩沖電路還常常涉及復雜的能量恢復方案。為解決這個(gè)問(wèn)題，可采用一個(gè)Stealth II二極管來(lái)減小導通損耗。MOSFET超級結技術(shù)能夠極大地降低導通阻抗RDS(ON)，從而降低傳導損耗；而且超級結器件的速度非�？�，可大大降低關(guān)斷損耗。只要采用像SupreMOS和Stealth-II二極管這樣的新技術(shù)，就能夠使軟開(kāi)關(guān)PFC實(shí)現最大效率。 作者：飛兆半導體公司 Steven Sapp、Ritu Sodhi和Sampat Shekhawat |
