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

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(kāi)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(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(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(kāi)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(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(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(kāi)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(jiàn)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(kāi)關(guān)(MOSFET或IGBT)和升壓二極管的升壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)?。不過(guò)，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(kāi)關(guān)模式來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)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(kāi)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(guò)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(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(fù)特性會(huì)增加開(kāi)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(guò)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(guò)降低開(kāi)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(guò)，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(kāi)關(guān)導(dǎo)通速度也會(huì)增加開(kāi)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(wèn)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(kāi)關(guān)PFC實(shí)現(xiàn)最大效率。