全新功率半導(dǎo)體技術(shù)助力數(shù)據(jù)中心節(jié)能

世界各地計(jì)算機(jī)數(shù)量眾多，耗能量也相當(dāng)龐大，而支撐互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)作的數(shù)據(jù)中心就是一大耗能實(shí)例。在一個(gè)典型的數(shù)據(jù)中心設(shè)施中，其實(shí)只有不到一半的功耗是用在計(jì)算功能上的。所以數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商千方百計(jì)尋找機(jī)會(huì)來(lái)提高功率轉(zhuǎn)換效率和分配效率，例如通過高壓直流源的分配來(lái)減小轉(zhuǎn)換級(jí)的數(shù)目。

　　在美國(guó)，供電網(wǎng)把大約13 800Vac的交流電配送到各個(gè)社區(qū)，最后利用變壓器(不對(duì)能耗產(chǎn)生顯著影響)將電壓降為480Vac。而每個(gè)數(shù)據(jù)中心幾乎都備有一個(gè)UPS(不間斷電源)?？墒?，這個(gè)功率調(diào)節(jié)級(jí)的效率可能只有70%。在服務(wù)器機(jī)架上，208Vac的交流電壓被轉(zhuǎn)換為12或48Vdc的直流電壓，再降壓至處理器、硬盤驅(qū)動(dòng)器和內(nèi)存所需的總線電壓。

圖1 一個(gè)典型數(shù)據(jù)中心的功率轉(zhuǎn)換級(jí)

　　以一個(gè)每板帶兩個(gè)處理器的滿裝服務(wù)器機(jī)架為例，假設(shè)轉(zhuǎn)換效率為90%，若功耗為5kW，則會(huì)浪費(fèi)500W的能量。高性能低壓MOSFET具有更低的導(dǎo)通阻抗和更低的開關(guān)損耗，能夠提高這些轉(zhuǎn)換級(jí)的效率。

　　上一代降壓轉(zhuǎn)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(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(jì)90年代中期以前，因?yàn)閭鲗?dǎo)損耗(I2R)仍是總功耗的主要成分，低壓功率MOSFET的開發(fā)焦點(diǎn)一直放在RDS(ON)上。隨著開關(guān)頻率的上升，研究人員開始逐漸關(guān)注柵極電容和柵極電荷。圖2所示為功率MOSFET品質(zhì)因數(shù)(歸一化RSP和RSP·QGD)的變化趨勢(shì)。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(zhì)因數(shù)的變化趨勢(shì)

　　業(yè)界已開發(fā)出數(shù)種能夠減小導(dǎo)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(dǎo)通阻抗和柵極電荷，因?yàn)楝F(xiàn)在可以一方面通過薄柵極氧化層來(lái)獲得更低的Vth(閾值電壓)以及更低的導(dǎo)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(jí)結(jié)器件結(jié)構(gòu)。它最初是針對(duì)高壓器件開發(fā)的，現(xiàn)在也可用于低壓器件。利用電荷平衡方案，可以在漂移區(qū)獲得兩維電荷耦合，因而能夠在漂移區(qū)采用更高的摻雜濃度，最終降低漂移阻抗。飛兆半導(dǎo)體通過采用第四個(gè)電極、屏蔽以及加厚氧化層，實(shí)現(xiàn)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(shù)現(xiàn)在也變得更具相關(guān)性，例如，體二極管反向恢復(fù)、內(nèi)部柵極阻抗以及MOSFET的輸出電荷(QOSS)。低壓MOSFET產(chǎn)品現(xiàn)在開始針對(duì)二極管反向恢復(fù)以及輸出電容的最小化而優(yōu)化。在開關(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(duì)功耗有著重大影響，隨著目前器件尺寸越來(lái)越小，以及組合封裝解決方案在應(yīng)用中開始逐漸流行，這一點(diǎn)便尤其顯著。

　　在DC/DC轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中，重負(fù)載條件下，因傳導(dǎo)損耗，效率主要由導(dǎo)通阻抗決定；而在輕負(fù)載條件下，控制效率的主要因素是柵極電荷、反向恢復(fù)電荷和輸出電容。圖5顯示了不同輸出負(fù)載條件下，各個(gè)元件的相對(duì)功耗。

圖5 DC/DC轉(zhuǎn)換器中各個(gè)元件的相對(duì)功耗

　　最近幾年來(lái)，功率轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體解決方案的開發(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(yù)計(jì)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(jí)的功耗

　　帶PFC的開關(guān)模式電源通常運(yùn)用在數(shù)據(jù)中心，而現(xiàn)在也常見于電信電源和白色家電，以執(zhí)行第一級(jí)功率轉(zhuǎn)換。功率因數(shù)校正電路歷來(lái)都是采用整合了功率開關(guān)(MOSFET或IGBT)和升壓二極管的升壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)?。不過，由于引入了軟恢復(fù)二極管(如飛兆半導(dǎo)體的HypeRFast Stealth)，可以去掉或簡(jiǎn)化緩沖電路，升壓轉(zhuǎn)換器可采用硬開關(guān)模式來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過Stealth二極管或SiC肖特基二極管與SupreMOS等新超級(jí)結(jié)技術(shù)的結(jié)合，設(shè)計(jì)人員能夠獲得更低的傳導(dǎo)損耗和開關(guān)損耗，并簡(jiǎn)化柵極驅(qū)動(dòng)，減少EMI。

　　利用PFC不僅可以確保器件符合EN61000-3-2等規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，減少元件上的應(yīng)力，從而減少諧波成分，增強(qiáng)可靠性；還能夠通過增大電源的最大功率來(lái)提高轉(zhuǎn)換效率。

　　AC/DC級(jí)的大多數(shù)大功率有源PFC設(shè)計(jì)都整合了一個(gè)連續(xù)電流模式(CCM)升壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)?，因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)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(dǎo)通模式(BCM)，則用于低功率級(jí)。CCM升壓轉(zhuǎn)換器(如圖1所示)會(huì)采用硬開關(guān)模式控制升壓二極管和開關(guān)器件，但是硬開關(guān)的缺點(diǎn)是二極管的反向恢復(fù)特性會(huì)增加開關(guān)器件的導(dǎo)通損耗，并產(chǎn)生EMI。

　　二極管的反向恢復(fù)特性決定了它如何從正向傳導(dǎo)狀態(tài)轉(zhuǎn)換到反向電壓阻斷狀態(tài)。如果反向恢復(fù)電流過于突然地從IRRM(最大反向恢復(fù)電流)返回到零，就會(huì)產(chǎn)生電壓尖刺和嚴(yán)重的EMI。電路設(shè)計(jì)人員會(huì)通過降低開關(guān)的導(dǎo)通di/dt，或者增加緩沖電路(snubber circuit)來(lái)減輕這種效應(yīng)。在使用以前的二極管技術(shù)的年代，設(shè)計(jì)人員只能采用一個(gè)軟二極管或快速恢復(fù)二極管。不過，以往軟二極管技術(shù)的IRRM值很大，在二極管trr(反向恢復(fù)時(shí)間)期間會(huì)產(chǎn)生很大的導(dǎo)通損耗；同時(shí)，降低開關(guān)導(dǎo)通速度也會(huì)增加開關(guān)導(dǎo)通損耗。而增添緩沖電路又會(huì)增加成本和復(fù)雜性，并降低可靠性。除此之外，因?yàn)榛綬C方案中緩沖電阻的功耗很大，使緩沖電路還常常涉及復(fù)雜的能量恢復(fù)方案。為解決這個(gè)問題，可采用一個(gè)Stealth II二極管來(lái)減小導(dǎo)通損耗。MOSFET超級(jí)結(jié)技術(shù)能夠極大地降低導(dǎo)通阻抗RDS(ON)，從而降低傳導(dǎo)損耗；而且超級(jí)結(jié)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)，就能夠使軟開關(guān)PFC實(shí)現(xiàn)最大效率。