PCIM2025论文摘要 | 400V SiC MOSFET助力服务器和人工智能电源实现更高的效率和功率密度

400V SiC MOSFET技术可以实现更低的开关损耗和导通损耗。简要介绍了该器件的概念和特性。在用于服务器应用的电源(PSU)中对其优势进行了研究，该电源在176V-265V交流输入和50V输出电压下可提供3.3kW的功率。该设备采用三电平飞跨电容图腾柱PFC。文中讨论了启动期间对飞跨电容充电的注意事项。PSU的尺寸为72mmx40mmx192mm，在230VAC输入电压下，PSU总峰值效率超过97.6%，功率密度大于100W/in³。

简介

服务器和电信应用的发展趋势是功率密度不断提高。例如，开放计算项目（OCP）的服务器电源装置（PSU）规范在去年将功率密度提高了1.5倍[1]，[2]。为了满足这些功率密度要求，我们需要缩小所有元件的尺寸，尤其是无源元件。随着新型400V SiC MOSFET的问世，可实现兼具更小的导通电阻，更小的栅极电荷，输出电荷和反向恢复电荷，以及实现输出电容，米勒电容（漏极与门级之间的电容）与漏极电压之间更好的线性关系的功率半导体器件[3]。与之相连的超低开关损耗和传导损耗有望明显提高系统效率和功率密度，并使这些器件完美地适用于输入电压有效值高达350 V AC的三电平拓扑结构[3]。文献[4]中介绍的服务器PSU就是一个可实现功率密度和所需性能的范例。它采用了交错图腾柱PFC，从而缩小了EMI滤波器的尺寸，采用了高频（500 kHz）LLC设计，并在PCB变压器中集成了同步整流器(SR)，实现了非常紧凑的DC-DC转换器解决方案。此外，由于增加了保持时间延长电路，减少了大容量电容器，从而在峰值效率为97.4%的情况下实现了近100 W/in3。该解决方案与使用配备400V SiC MOSFET的三电平飞跨电容器(3LFC)PFC转换器的实施方案进行了比较，LLC和SR级保持不变。分析了具有高可靠性的三电平飞跨电容PFC电路的主要设计问题。实验结果表明，PFC扼流圈体积减小，性能提高，峰值效率超过97.6%。

400V SiC MOSFET

图1给出了遵循先前介绍的设计方法[5]的英飞凌SiC MOSFET晶胞的横截面示意图。有源沟道沿a平面排列，以提供最佳的沟道迁移率和最低的界面阱密度。栅极氧化物由深p阱保护，深p阱与半导体表面的源电极相连。由于第二个沟槽侧壁与该晶面不重合，因此不用作有源沟道。相反，埋入的p区沿着非活动侧壁与源电极相连。这样就实现了非常紧凑的晶胞设计，并与a面的高沟道迁移率相结合，实现了低特定区域导通电阻。虽然这种新型400V MOSFET与之前推出的第一代器件有许多相似之处[5]，但它得益于该技术的不断改进，从而明显缩小了晶胞单元间距，改善了沟道特性，并提高了对漂移区特性的控制。此外，还对芯片设计进行了精心优化，以避免不必要的有源面积损失，例如通过优化结终端设计。

图2比较了新型400V和650V CoolSiC技术的关键器件参数。图3比较了三电平拓扑结构典型条件下的开关损耗。由于两个器件串联，因此需要导通电阻为一半的器件。不过，由于FOM更好，器件上的电压更低，因此开关损耗要低得多。图4显示了体二极管在不同漏极电流下的换向波形。测量结果表明，尽管应用了较高的di/dt变化率，但二极管的换向稳定性极佳，反向恢复电荷极低，而且对工作电流的依赖性几乎可以忽略不计。

图1.

具有非对称沟道的SiC沟道MOSFET概念

图2.

400V技术实现的参数改进（TO-263-3相同芯片尺寸）

图3.

400V和650V SiC MOSFET开关损耗的比较

图4.

400V SiC-MOSFET体二极管在不同电流下的换向

三电平飞跨电容PFC

多电平拓扑结构是高功率密度设计的理想选择[4,5]。采用移相调制的飞跨电容器PFC可大大减少PFC扼流圈的体积：实际工作频率提高一倍，而开关节点上的电压减半。因此，与两电平图腾柱PFC相比，电感可减少75%。尽管在3L-PFC中使用的是额定全电流的单个扼流圈，但与交错图腾极相比，PFC扼流圈的体积最多可减少60%，参见图5。由于两种拓扑结构的输入电流相同，因此这两种解决方案共用相同的EMI滤波器。同样的方法也适用于母线电容的尺寸，两种方案都使用了相同的保持扩展电路。在减少PFC扼流圈体积的同时，也提高了转换器的性能。尽管3LFC需要较低的Rdson器件（两个器件串联在电感电流通路中），但400V器件的优越性能（图2）使得轻载到中载的效率得以提高。图6比较了57mΩ 650V的交错图腾极[3]与25mΩ 400V的拟议推荐的3LFC[3]的效率，后者效率提高了0.3%。

启动过程中的飞跨电容器充电

在使用飞跨电容多电平拓扑结构时，一个主要的问题是飞跨电容（FC）在启动期间的充电问题，因为充电路径被多电平结构的堆叠器件阻挡。不同的应对方案[4,5]都旨在避免在输入电压升高时，如果飞跨电容器没有充电，则功率器件承受的电压超标的问题。这些解决方案要么需要控制干预并依赖于转换器的偏置，要么基于无源解决方案，无法在稳态运行期间断开。在所有情况下，都需要额外的元件（如继电器、TVS二极管）或修改的调制方案，这对PSU的功率密度和效率都有影响。

图7展示了另一种在启动过程中为飞跨电容器充电的解决方案，该方案可将400V SiC器件保持在击穿电压（VACpeak=422V时的最大VDS,max=331V）之下。建议的电路由一个电流源组成，在施加交流电压时为飞跨电容器提供充电路径。该电流源自动启用，并在FC电压达到目标值时禁用。

图5.[3]中实现的交错图腾柱PFC与建议的3LFC-PFC的比较

图6. 采用25mΩ 400V SiC的3LFC-PFC和采用57mΩ 650V SiC的交错图腾柱（左）在230 VAC下的PFC测量效率，以及采用3LFC-PFC的3.3kW服务器PSU的3D渲染图（右）。

图7. 3L-PFC启动（左）和300 VAC测试（右）的拟议解决方案简图

该推荐的解决方案独立于控制，可在稳态运行期间移除。此外，还采用了一个启动单元（线性稳压器），以消除对输入电压上升时间和偏置转换器启动时间的依赖。图7（右）显示了300V电压下的启动测试波形。建议的解决方案只需很小的面积，就能与飞跨和400V SiC器件集成在电源板上。

参考资料

[1] 开放计算项目（OCP），Open Rack V3 48V PSU 规范修订版：1.0。可在线获取：http://www.opencompute.org（访问日期：2024 年 10 月 1 日

[2] 开放计算项目 (OCP)，开放机架 V3 48V 5.5kW PSU 规范修订版：0.2。可在线获取： http://www.opencompute.org （2024 年 10 月 1 日访问

[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.欧洲 ECCE 展览会，德国达姆施塔特，2024 年

[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.欧洲 PCIM 展览会，德国纽伦堡，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.欧洲 PCIM 展览会，德国纽伦堡，2017 年