400V SiC MOSFET技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)更低的開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗。簡(jiǎn)要介紹了該器件的概念和特性。在用于服務(wù)器應(yīng)用的電源(PSU)中對(duì)其優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了研究，該電源在176V-265V交流輸入和50V輸出電壓下可提供3.3kW的功率。該設(shè)備采用三電平飛跨電容圖騰柱PFC。文中討論了啟動(dòng)期間對(duì)飛跨電容充電的注意事項(xiàng)。PSU的尺寸為72mmx40mmx192mm，在230VAC輸入電壓下，PSU總峰值效率超過(guò)97.6%，功率密度大于100W/in3。

簡(jiǎn)介

服務(wù)器和電信應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)是功率密度不斷提高。例如，開(kāi)放計(jì)算項(xiàng)目（OCP）的服務(wù)器電源裝置（PSU）規(guī)范在去年將功率密度提高了1.5倍[1]，[2]。為了滿足這些功率密度要求，我們需要縮小所有元件的尺寸，尤其是無(wú)源元件。隨著新型400V SiC MOSFET的問(wèn)世，可實(shí)現(xiàn)兼具更小的導(dǎo)通電阻，更小的柵極電荷，輸出電荷和反向恢復(fù)電荷，以及實(shí)現(xiàn)輸出電容，米勒電容（漏極與門(mén)級(jí)之間的電容）與漏極電壓之間更好的線性關(guān)系的功率半導(dǎo)體器件[3]。與之相連的超低開(kāi)關(guān)損耗和傳導(dǎo)損耗有望明顯提高系統(tǒng)效率和功率密度，并使這些器件完美地適用于輸入電壓有效值高達(dá)350 V AC的三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[3]。文獻(xiàn)[4]中介紹的服務(wù)器PSU就是一個(gè)可實(shí)現(xiàn)功率密度和所需性能的范例。它采用了交錯(cuò)圖騰柱PFC，從而縮小了EMI濾波器的尺寸，采用了高頻（500 kHz）LLC設(shè)計(jì)，并在PCB變壓器中集成了同步整流器(SR)，實(shí)現(xiàn)了非常緊湊的DC-DC轉(zhuǎn)換器解決方案。此外，由于增加了保持時(shí)間延長(zhǎng)電路，減少了大容量電容器，從而在峰值效率為97.4%的情況下實(shí)現(xiàn)了近100 W/in3。該解決方案與使用配備400V SiC MOSFET的三電平飛跨電容器(3LFC)PFC轉(zhuǎn)換器的實(shí)施方案進(jìn)行了比較，LLC和SR級(jí)保持不變。分析了具有高可靠性的三電平飛跨電容PFC電路的主要設(shè)計(jì)問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，PFC扼流圈體積減小，性能提高，峰值效率超過(guò)97.6%。

400V SiC MOSFET

圖1給出了遵循先前介紹的設(shè)計(jì)方法[5]的英飛凌SiC MOSFET晶胞的橫截面示意圖。有源溝道沿a平面排列，以提供最佳的溝道遷移率和最低的界面阱密度。柵極氧化物由深p阱保護(hù)，深p阱與半導(dǎo)體表面的源電極相連。由于第二個(gè)溝槽側(cè)壁與該晶面不重合，因此不用作有源溝道。相反，埋入的p區(qū)沿著非活動(dòng)側(cè)壁與源電極相連。這樣就實(shí)現(xiàn)了非常緊湊的晶胞設(shè)計(jì)，并與a面的高溝道遷移率相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了低特定區(qū)域?qū)娮?。雖然這種新型400V MOSFET與之前推出的第一代器件有許多相似之處[5]，但它得益于該技術(shù)的不斷改進(jìn)，從而明顯縮小了晶胞單元間距，改善了溝道特性，并提高了對(duì)漂移區(qū)特性的控制。此外，還對(duì)芯片設(shè)計(jì)進(jìn)行了精心優(yōu)化，以避免不必要的有源面積損失，例如通過(guò)優(yōu)化結(jié)終端設(shè)計(jì)。

圖2比較了新型400V和650V CoolSiC技術(shù)的關(guān)鍵器件參數(shù)。圖3比較了三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)典型條件下的開(kāi)關(guān)損耗。由于兩個(gè)器件串聯(lián)，因此需要導(dǎo)通電阻為一半的器件。不過(guò)，由于FOM更好，器件上的電壓更低，因此開(kāi)關(guān)損耗要低得多。圖4顯示了體二極管在不同漏極電流下的換向波形。測(cè)量結(jié)果表明，盡管應(yīng)用了較高的di/dt變化率，但二極管的換向穩(wěn)定性極佳，反向恢復(fù)電荷極低，而且對(duì)工作電流的依賴性幾乎可以忽略不計(jì)。

圖1.

具有非對(duì)稱溝道的SiC溝道MOSFET概念

圖2.

400V技術(shù)實(shí)現(xiàn)的參數(shù)改進(jìn)（TO-263-3相同芯片尺寸）

圖3.

400V和650V SiC MOSFET開(kāi)關(guān)損耗的比較

圖4.

400V SiC-MOSFET體二極管在不同電流下的換向

三電平飛跨電容PFC

多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是高功率密度設(shè)計(jì)的理想選擇[4,5]。采用移相調(diào)制的飛跨電容器PFC可大大減少PFC扼流圈的體積：實(shí)際工作頻率提高一倍，而開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)上的電壓減半。因此，與兩電平圖騰柱PFC相比，電感可減少75%。盡管在3L-PFC中使用的是額定全電流的單個(gè)扼流圈，但與交錯(cuò)圖騰極相比，PFC扼流圈的體積最多可減少60%，參見(jiàn)圖5。由于兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的輸入電流相同，因此這兩種解決方案共用相同的EMI濾波器。同樣的方法也適用于母線電容的尺寸，兩種方案都使用了相同的保持?jǐn)U展電路。在減少PFC扼流圈體積的同時(shí)，也提高了轉(zhuǎn)換器的性能。盡管3LFC需要較低的Rdson器件（兩個(gè)器件串聯(lián)在電感電流通路中），但400V器件的優(yōu)越性能（圖2）使得輕載到中載的效率得以提高。圖6比較了57mΩ 650V的交錯(cuò)圖騰極[3]與25mΩ 400V的擬議推薦的3LFC[3]的效率，后者效率提高了0.3%。

啟動(dòng)過(guò)程中的飛跨電容器充電

在使用飛跨電容多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，一個(gè)主要的問(wèn)題是飛跨電容（FC）在啟動(dòng)期間的充電問(wèn)題，因?yàn)槌潆娐窂奖欢嚯娖浇Y(jié)構(gòu)的堆疊器件阻擋。不同的應(yīng)對(duì)方案[4,5]都旨在避免在輸入電壓升高時(shí)，如果飛跨電容器沒(méi)有充電，則功率器件承受的電壓超標(biāo)的問(wèn)題。這些解決方案要么需要控制干預(yù)并依賴于轉(zhuǎn)換器的偏置，要么基于無(wú)源解決方案，無(wú)法在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行期間斷開(kāi)。在所有情況下，都需要額外的元件（如繼電器、TVS二極管）或修改的調(diào)制方案，這對(duì)PSU的功率密度和效率都有影響。

圖7展示了另一種在啟動(dòng)過(guò)程中為飛跨電容器充電的解決方案，該方案可將400V SiC器件保持在擊穿電壓（VACpeak=422V時(shí)的最大VDS,max=331V）之下。建議的電路由一個(gè)電流源組成，在施加交流電壓時(shí)為飛跨電容器提供充電路徑。該電流源自動(dòng)啟用，并在FC電壓達(dá)到目標(biāo)值時(shí)禁用。

圖5.[3]中實(shí)現(xiàn)的交錯(cuò)圖騰柱PFC與建議的3LFC-PFC的比較

圖6. 采用25mΩ 400V SiC的3LFC-PFC和采用57mΩ 650V SiC的交錯(cuò)圖騰柱（左）在230 VAC下的PFC測(cè)量效率，以及采用3LFC-PFC的3.3kW服務(wù)器PSU的3D渲染圖（右）。

圖7. 3L-PFC啟動(dòng)（左）和300 VAC測(cè)試（右）的擬議解決方案簡(jiǎn)圖

該推薦的解決方案獨(dú)立于控制，可在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行期間移除。此外，還采用了一個(gè)啟動(dòng)單元（線性穩(wěn)壓器），以消除對(duì)輸入電壓上升時(shí)間和偏置轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)時(shí)間的依賴。圖7（右）顯示了300V電壓下的啟動(dòng)測(cè)試波形。建議的解決方案只需很小的面積，就能與飛跨和400V SiC器件集成在電源板上。

參考資料

[1] 開(kāi)放計(jì)算項(xiàng)目（OCP），Open Rack V3 48V PSU 規(guī)范修訂版：1.0?？稍诰€獲取：http://www.opencompute.org（訪問(wèn)日期：2024 年 10 月 1 日

[2] 開(kāi)放計(jì)算項(xiàng)目 (OCP)，開(kāi)放機(jī)架 V3 48V 5.5kW PSU 規(guī)范修訂版：0.2?？稍诰€獲?。?http://www.opencompute.org （2024 年 10 月 1 日訪問(wèn)

[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.歐洲 ECCE 展覽會(huì)，德國(guó)達(dá)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.歐洲 PCIM 展覽會(huì)，德國(guó)紐倫堡，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.歐洲 PCIM 展覽會(huì)，德國(guó)紐倫堡，2017 年