全新功率半導體技術助力數據中心節能

全新功率半導體技術助力數據中心節能

世界各地計算機數量眾多，耗能量也相當龐大，而支撐互聯網運作的數據中心就是一大耗能實例。在一個典型的數據中心設施中，其實只有不到一半的功耗是用在計算功能上的。所以數據中心運營商千方百計尋找機會來提高功率轉換效率和分配效率，例如通過高壓直流源的分配來減小轉換級的數目。

　　在美國，供電網把大約13 800Vac的交流電配送到各個社區，最后利用變壓器(不對能耗產生顯著影響)將電壓降為480Vac。而每個數據中心幾乎都備有一個UPS(不間斷電源)?？墒?，這個功率調節級的效率可能只有70%。在服務器機架上，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、硬盤驅動器和內存所需的總線電壓。

圖1 一個典型數據中心的功率轉換級

　　以一個每板帶兩個處理器的滿裝服務器機架為例，假設轉換效率為90%，若功耗為5kW，則會浪費500W的能量。高性能低壓MOSFET具有更低的導通阻抗和更低的開關損耗，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的開發焦點一直放在RDS(ON)上。隨著開關頻率的上升，研究人員開始逐漸關注柵極電容和柵極電荷。圖2所示為功率MOSFET品質因數(歸一化RSP和RSP·QGD)的變化趨勢。在過去14年間，這些參數減小了近10倍。

圖2 30V功率MOSFET的品質因數的變化趨勢

　　業界已開發出數種能夠減小導通阻抗和柵極電荷的新技術，其中一種技術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薄柵極氧化層來獲得更低的Vth(閾值電壓)以及更低的導通阻抗，同時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發的，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。飛兆半導體通過采用第四個電極、屏蔽以及加厚氧化層，實現了這種概念，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產品現在開始針對二極管反向恢復以及輸出電容的最小化而優化。在開關頻率和輸出電流較高時，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重大影響，隨著目前器件尺寸越來越小，以及組合封裝解決方案在應用中開始逐漸流行，這一點便尤其顯著。

　　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，各個元件的相對功耗。

圖5 DC/DC轉換器中各個元件的相對功耗

　　最近幾年來，功率轉換半導體解決方案的開發速度大大加快。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技術之間的效率比較

　　先進的高壓器件降低AC/DC級的功耗

　　帶PFC的開關模式電源通常運用在數據中心，而現在也常見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都是采用整合了功率開關(MOSFET或IGBT)和升壓二極管的升壓轉換器拓撲。不過，由于引入了軟恢復二極管(如飛兆半導體的HypeRFast Stealth)，可以去掉或簡化緩沖電路，升壓轉換器可采用硬開關模式來實現。通過Stealth二極管或SiC肖特基二極管與SupreMOS等新超級結技術的結合，設計人員能夠獲得更低的傳導損耗和開關損耗，并簡化柵極驅動，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；還能夠通過增大電源的最大功率來提高轉換效率。

　　AC/DC級的大多數大功率有源PFC設計都整合了一個連續電流模式(CCM)升壓轉換器拓撲，因為這種結構十分簡單，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)會采用硬開關模式控制升壓二極管和開關器件，但是硬開關的缺點是二極管的反向恢復特性會增加開關器件的導通損耗，并產生EMI。

　　二極管的反向恢復特性決定了它如何從正向傳導狀態轉換到反向電壓阻斷狀態。如果反向恢復電流過于突然地從IRRM(最大反向恢復電流)返回到零，就會產生電壓尖刺和嚴重的EMI。電路設計人員會通過降低開關的導通di/dt，或者增加緩沖電路(snubber circuit)來減輕這種效應。在使用以前的二極管技術的年代，設計人員只能采用一個軟二極管或快速恢復二極管。不過，以往軟二極管技術的IRRM值很大，在二極管trr(反向恢復時間)期間會產生很大的導通損耗；同時，降低開關導通速度也會增加開關導通損耗。而增添緩沖電路又會增加成本和復雜性，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。為解決這個問題，可采用一個Stealth II二極管來減小導通損耗。MOSFET超級結技術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?？?，可大大降低關斷損耗。只要采用像SupreMOS和Stealth-II二極管這樣的新技術，就能夠使軟開關PFC實現最大效率。