全新功率半導體技術(shù)助力數據中心節能

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(guān)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(chǎn)品現在開(kāi)始針對二極管反向恢復以及輸出電容的最小化而優(yōu)化。在開(kāi)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功耗有著(zhù)重大影響，隨著(zhù)目前器件尺寸越來(lái)越小，以及組合封裝解決方案在應用中開(kāi)始逐漸流行，這一點(diǎn)便尤其顯著(zhù)。

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(gè)元件的相對功耗。

圖5 DC/DC轉換器中各個(gè)元件的相對功耗

最近幾年來(lái)，功率轉換半導體解決方案的開(kāi)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，預計將有大幅度提高(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級的功耗
帶PFC的開(kāi)關(guān)模式電源通常運用在數據中心，而現在也常見(jiàn)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(lái)都是采用整合了功率開(kāi)關(guān)(MOSFET或IGBT)和升壓二極管的升壓轉換器拓撲。不過(guò)，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(jiǎn)化緩沖電路，升壓轉換器可采用硬開(kāi)關(guān)模式來(lái)實(shí)現。通過(guò)Stealth二極管或SiC肖特基二極管與SupreMOS等新超級結技術(shù)的結合，設計人員能夠獲得更低的傳導損耗和開(kāi)關(guān)損耗，并簡(jiǎn)化柵極驅動(dòng)，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(guò)增大電源的最大功率來(lái)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(gè)連續電流模式(CCM)升壓轉換器拓撲，因為這種結構十分簡(jiǎn)單，并且具有很寬的AC輸入電壓范圍。另一種PFC工作模式，臨界導通模式(BCM)，則用于低功率級。CCM升壓轉換器(如圖1所示)會(huì )采用硬開(kāi)關(guān)模式控制升壓二極管和開(kāi)關(guān)器件，但是硬開(kāi)關(guān)的缺點(diǎn)是二極管的反向恢復特性會(huì )增加開(kāi)關(guān)器件的導通損耗，并產(chǎn)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(tài)轉換到反向電壓阻斷狀態(tài)。如果反向恢復電流過(guò)于突然地從IRRM(最大反向恢復電流)返回到零，就會(huì )產(chǎn)生電壓尖刺和嚴重的EMI。電路設計人員會(huì )通過(guò)降低開(kāi)關(guān)的導通di/dt，或者增加緩沖電路(snubber circuit)來(lái)減輕這種效應。在使用以前的二極管技術(shù)的年代，設計人員只能采用一個(gè)軟二極管或快速恢復二極管。不過(guò)，以往軟二極管技術(shù)的IRRM值很大，在二極管trr(反向恢復時(shí)間)期間會(huì )產(chǎn)生很大的導通損耗；同時(shí)，降低開(kāi)關(guān)導通速度也會(huì )增加開(kāi)關(guān)導通損耗。而增添緩沖電路又會(huì )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(gè)問(wèn)題，可采用一個(gè)Stealth II二極管來(lái)減小導通損耗。MOSFET超級結技術(shù)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(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(kāi)關(guān)PFC實(shí)現最大效率。