全新功率半導體技術(shù)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(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