为什么超大规模数据中心要选用SiCMOSFET？

原创安森美 2024-12-23 18:59

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如今，数据中心迫切需要能够高效转换电能的功率半导体，以降低成本并减少排放。更高的电源转换效率意味着发热量减少，从而降低散热成本。

电源系统需要更低的系统总成本和紧凑的尺寸；因此必须提高功率密度，尤其是数据中心的平均功率密度正在迅速攀升。从十年前的每个1U机架通常只有5 kW，增加到现在的20 kW、30 kW 或更高。

图1：数据中心供电：从电网到GPU

电源供应器(PSU)还必须满足数据中心行业的特定需求。人工智能数据中心的PSU应满足严格的Open Rack V3 (ORV3) 基本规范，要求30%到100%负载下的峰值效率达到97.5%以上，并且10%到30%负载下的最低效率达到94%。

电源拓扑

作为PSU中交流/直流转换的关键部分，在功率因数校正(PFC)级实现高能效至关重要，该级负责调整输入电流，从而最大限度地提高有用功率与总输入功率的比率。为满足IEC 61000-3-2 等法规中的电磁兼容性(EMC)标准，并确保符合ENERGY STAR®等能效规范，PFC设计是关键所在。

在许多应用中，最佳方法是采用“图腾柱”PFC拓扑（图2），这种拓扑通常用于数据中心3 kW 至8 kW 系统的PFC功能块。图腾柱PFC级基于MOSFET，通过移除体积大且损耗高的桥式整流器，提高了交流电源的能效和功率密度。

图2：图腾柱PFC拓扑

为了达到97.5%的能效，图腾柱PFC需要使用碳化硅(SiC)等“宽禁带”半导体的MOSFET。如今，所有PFC级均采用SiC MOSFET 作为快速开关桥臂，并使用硅基超级结MOSFET作为相位或慢速桥臂。

与超级结MOSFET等硅(Si) MOSFET 相比，SiC MOSFET 具有更好的性能和更高的能效。它们在高温下表现出色，具有更强的稳健性，并能在更高的开关频率下运行。

与Si MOSFET 相比，SiC MOSFET 在输出电容中存储的能量(EOSS)更少，这在PFC级的低负载条件下至关重要，因为在低负载运行下，开关损耗在整个MOSFET功耗中占据了主要部分。较低的EOSS和栅极电荷可最大限度地减少开关过程中的能量损失，从而提高图腾柱PFC快速桥臂的能效。此外，由于SiC器件具有出色的热导率，相当于硅基器件的三倍，因此与Si MOSFET 相比，SiC MOSFET 具有更好的正温度系数RDS(ON)。

这意味着，SiC MOSFET 的导通电阻在结温升高时增幅小于Si MOSFET。在175ºC等高温下，SiC MOSFET 的导通损耗较低，而导通损耗在总功率损耗中占据主要部分。

下表比较了目前市面上的650V超级结MOSFET与安森美(onsemi)650V SiC MOSFET 的关键参数。

SiC MOSFET 助力实现高能效

在众多SiC MOSFET 产品中，安森美650 V M3S EliteSiC MOSFET（包括NTBL032N065M3S和NTBL023N065M3S）提供了出众的开关性能，并显著提高了超大规模数据中心的PFC和LLC级能效。

M3S EliteSiC 技术性能远远超过其前代产品，其中栅极电荷降低了50%，EOSS降低了44%，输出电容中存储的电荷(QOSS)也减少了44%。用于PFC级的硬开关拓扑中时，这个出色的EOSS数值能够提高轻载下的系统能效。此外，较低的QOSS简化了LLC级软开关拓扑的谐振储能电感设计。

得益于出色的开关性能和能效，M3S EliteSiC MOSFET 散发的热量更少。此外，MOSFET的栅极电荷Qg在同电压等级的产品中表现出色，能够降低栅极驱动损耗。同时，出色的Qgs和Qgd也有效降低了开关导通和关断损耗。

图3：650V M3S EliteSiC MOSFET 的优势

在LLC功能块中，当VDS从关断状态转换到二极管导通状态时，需要对输出电容进行放电。为了快速完成这一过程，必须使用低瞬态输出电容。瞬态COSS之所以重要，是因为它可以最大限度地减少谐振储能的循环损耗，并缩短LLC的死区时间，从而减少初级侧的循环损耗。低导通电阻能够最大限度地减少导通损耗，而低EOFF有助于最大限度地减少开关损耗。

总体而言，提升系统能效是最重要的性能标准，这使得SiC MOSFET 成为数据中心PFC和LLC级的首选方案。

相较于市场上的众多其他SiC MOSFET 产品，基于相同的RDS(ON)，安森美650V EliteSiC MOSFET 在成本、EMI、高温运行和开关性能方面，可与超级结MOSFET竞争。650V M3S EliteSiC MOSFET 的RDS(ON)低于相同封装的超级结MOSFET，这提升了LLC拓扑的系统能效，同时，由于其开关损耗远低于硅基替代品，因此性能表现优于后者。