碳化硅賦能浪潮教程：SiC JFET驅動工業(yè)與服務器電源革新

摘要

碳化硅（SiC）憑借其優(yōu)異的材料特性，在服務器、工業(yè)電源等關鍵領域掀起技術變革浪潮。本教程聚焦SiC尤其是SiC JFET系列器件，從碳化硅如何重構電源設計邏輯出發(fā)，剖析其在工業(yè)與服務器電源場景的應用價值。本文為第一部分，將重點介紹碳化硅如何革新電源設計、工業(yè)與服務器電源。

（一） 碳化硅如何革新電源設計

工業(yè)電源設備，本質上就像一座本地化的電力精煉廠。試想這樣一個場景：如果原油通過管道直接輸送給每位終端用戶，所有精煉工序都在用戶端完成——那么消費者使用的燃油車輛、農用機械或發(fā)電機（尤其是備用電源）能否實現高性價比的性能，首先取決于每個用戶手中那套“微型精煉廠”能否高效地將原生原油轉化為高辛烷值燃油。

這正是現代電力供應的現實：電力以“原生”形態(tài)輸送——如同未經精煉的原油，表現為交流、不規(guī)則且不穩(wěn)定。無論是數據中心、通信樞紐或制造工廠的開關設備，醫(yī)療機構的關鍵電力系統（EES），還是生產汽車與可再生能源元器件工廠所依賴的關鍵電力基礎設施，其整體運行性能，都直接取決于用戶側電源接口處的電源轉換系統。

（二） 能源革命：工業(yè)與服務器電源

(1) 電力變革的規(guī)模

碳化硅（SiC）半導體之于當今電力電子產業(yè)，正如19世紀50年代亨利·貝塞麥（Henry Bessemer）煉鋼法之于全球鐵路系統。鋼鐵制造的自動化與普及，使全球運輸效率提升了數個數量級。如今，碳化硅正以同樣宏大的規(guī)模推動多項技術革命：

?其導熱性能至少是硅的三倍，通?？蛇_五倍

?其擊穿電場強度約為硅的10倍，可在承受更高電壓的同時顯著提升能效

?憑借雙倍的電子漂移速度，碳化硅器件能夠實現極快的開關速度

所有這些特性共同為電源系統帶來立竿見影的革命性優(yōu)勢：在滿足現代直流應用所需的高電壓（或在某些情況下所需的低電壓）需求時，充分發(fā)揮高速、高效率開關的性能潛力。

(2) 開關電源相較于線性電源的優(yōu)勢

所有這些工業(yè)應用都要求電源高效供電。然而，高效并不總與簡潔劃等號。線性模式電源轉換器通過一種非常簡單的機制供電，有時僅需兩個電容和兩個電阻即可工作。

當半導體器件工作在線性模式（也稱為“有源模式”）時——如圖中右側“Active”區(qū)域所示——其輸出電流ID主要通過輸入電壓VDS的大小來控制。從這個角度看，該器件本質上相當于一個放大器，其輸出波形能忠實復現輸入波形。

線性模式不適用于工業(yè)電力電子應用的主要原因在于發(fā)熱問題。半導體器件未能轉化為輸出電壓的那部分能量必須以熱能形式耗散。器件溫度越高，工作效率就越低。

而在開關模式下，晶體管產生方波信號，此時功率器件工作于圖中左側的“ohimic”區(qū)。在相同電流水平下，其VDS電壓顯著降低，導通損耗因此大幅減少，從而顯著提升效率。這種模式也被稱為“數字模式”，其波形反映了二進制開關的輸出特性。

正是這種方波信號，經由功率因數校正（PFC）電路整形后，轉化為電子元件可穩(wěn)定使用的電流與電壓。現代開關模式電源中的PFC技術，不僅實現了高能效，還確保了優(yōu)異的熱穩(wěn)定性。

(3) 寬禁帶材料的優(yōu)勢

作為一種半導體材料，碳化硅（SiC）擁有備受重視的特性——寬禁帶（wide bandgap）。半導體顯然需要具備一定的導電能力，但理想情況下，材料也應具備良好的天然絕緣特性。寬禁帶材料（如SiC）具有一個較寬的能量區(qū)間，其中不存在電子態(tài)。這一特性使碳化硅相比傳統硅（Si）具備多項顯著優(yōu)勢：

· 更高的功率效率，尤其是在開關過程中，能實現更快的開關速度和更低的損耗

· 介電擊穿場強高達Si的10倍，使SiC能承受更高電壓而不被擊穿，同時保持可靠性

· 卓越的環(huán)境耐熱性，讓SiC器件即使在嚴苛環(huán)境中（如沙漠地區(qū)的超大規(guī)模數據中心）也能穩(wěn)定可靠運行

· 雙倍電子漂移速度，為PWM控制帶來更高的開關頻率

· 三倍導熱系數，不僅明顯優(yōu)于硅，也超越了GaN（氮化鎵）材料，在散熱性能上占據明顯優(yōu)勢

在工業(yè)和服務器電源系統中，安森美（onsemi）已憑借其EliteSiC M3S MOSFET實現了電源效率的革命性突破。該系列產品具備超低柵極電荷（QG），可大幅降低柵極驅動與開關損耗；其極低的導通電阻（RDS(on)）有效減少導通損耗；極低的反向恢復電荷（QRR），不僅抑制電壓尖峰，還最大限度地減少開關過程中的能量損耗（ERR）。目前，EliteSiC MOSFET正助力電源制造商滿足開放計算項目（Open Compute）針對3000W AC-DC電源提出的開放式機架（Open Rack）嚴苛標準。而SiC技術的革新之路，仍蘊藏著巨大的潛力等待釋放。

(4) 服務器電源需滿足的可靠供電要求

隨著生成式AI的大規(guī)模應用，對服務器機架功率密度提出前所未有的要求——尤其是在那些引領Open Rack標準的超大規(guī)模數據中心中——下一代電源單元（PSU）與配電單元（PDU）需具備更高的可靠性，更快的開關速度以及更優(yōu)異的導熱性能。安森美SiC Cascode JFET（CJFET）應用于當前最高效的功率整流技術（如圖騰柱PFC，TPPFC），可在不犧牲效率的前提下，實現更高的功率密度、更卓越的性能，并進一步降低功耗。

開放計算項目（Open Compute Project, OCP）制定了面向數據中心服務器、機架及功率器件的國際標準，其中包括適用于大規(guī)模和超大規(guī)模數據中心服務器機架的Open Rack標準。要獲得OCP的鈦金（Titanium）80PLUS認證，一款額定功率為3.3kW、輸入電壓為230VAC的電源必須在50%負載條件下持續(xù)實現96%的電源效率。

上圖展示的是一個基于安森美1.5kW評估板進行測試的圖騰柱功率因數校正（TPPFC）電路，其中采用了安森美SiC CJFET，并工作于連續(xù)導通模式（CCM）。該電路設計徹底消除了所有二極管導通損耗，包括輸入整流橋二極管和PFC二極管損耗。

通常，SiC MOSFET需要正負柵極驅動，總柵極電壓擺幅需要達到20V至25V，這會使柵極電壓接近其建議的最大額定值，從而需要更加關注柵極電荷損耗。而安森美CJFET中的MOSFET部分，其柵極電壓擺幅約為12V，更類似于超級結MOSFET。得益于CJFET所實現的優(yōu)異開關損耗恢復能力，使得TPPFC的電源效率高達99.4%，遠超OCP鈦金80PLUS認證的要求。

(5) 分立式太陽能逆變器的能效提升潛力

太陽能采集的能量為直流電（DC），但要與家庭、辦公室及其他建筑中現有的交流配電系統兼容，必須將其“逆變”——即從直流電轉換為交流電（AC）。如此一來，臺式電腦等設備的電源才能像平常一樣，將輸入的交流電再次整流為直流電以供使用。

逆變器的核心功能是將直流電壓信號轉換為純凈的單相交流正弦波。早期方案采用兩電平逆變技術，通過在+VDC與-VDC兩個直流電平之間階梯式切換，粗略逼近正弦波形。隨后，該技術演進為三電平架構，新增一個0V中間電平，形成所謂的中性點鉗位（Neutral Point Clamped, NPC）拓撲。盡管結構更復雜，但三電平方案顯著提升了輸出波形質量與系統穩(wěn)定性，因此目前已成為行業(yè)主流。

然而，隨著碳化硅（SiC）材料的引入，如今已可制造最高工作電壓超過2000V的太陽能逆變器件。展望未來，基于安森美碳化硅工藝，由CJFET驅動的新型逆變器有望大規(guī)模應用。這類器件將使兩電平太陽能逆變器重新煥發(fā)活力——在大幅簡化電路結構、降低設計復雜度與制造成本的同時，仍能實現與當前三電平逆變器相當的開關速度和功率轉換效率。

(6) 工程技術如何保障工業(yè)電力可靠性

所有依賴持續(xù)穩(wěn)定清潔電能的企業(yè)與行業(yè)，都會最大限度地采用工業(yè)級不間斷電源（UPS）。普通用電者或許難以察覺，但對于工程師而言這是基本常識：在線式UPS先將輸入的交流電轉換為直流電，利用直流電為蓄電池儲能系統充電，隨后再將直流電逆變?yōu)榻涣麟姡┠切┳陨砼鋫洫毩㈦娫矗◣Ы恢绷鬓D換器）的器件和設備使用。

工業(yè)級UPS的目標是輸出一個波形純凈、穩(wěn)定的交流正弦波。為實現這一目標，需經歷被稱為“混合模式”的工作階段——在此過程中，輸入的交流電首先通過功率因數校正（PFC）轉換為直流電。上圖展示的正是在DC-AC轉換之前，輸入的三相電源經歷的雙重PFC轉換過程?；旌夏Ｊ郊粗钢虚g的DC-DC變換環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)對轉換效率要求極為嚴苛，原因不僅在于它承擔著為電池充電的任務，更關鍵的是：電池充電電流與最終輸出的交流電在此階段是疊加的，整個系統必須能夠同時承受這兩路電流。

如今，安森美通過采用可靠的SiC MOSFET功率集成模塊（PIM），為工業(yè)UPS市場提供解決方案。展望不久的將來，其EliteSiC共源共柵型JFET（Cascode JFET）正蓄勢待發(fā)，以滿足工業(yè)自動化、AI數據中心和加密計算等新興領域不斷演進的電力需求。這些器件具備業(yè)界領先的開關速度，并擁有當前市場上極低的單位面積導通電阻RDS（A）。通過簡化上述電路架構，安森美的CJFET有望顯著減少元器件數量，縮小體積并降低系統整體成本。

未完待續(xù)。后續(xù)將涵蓋：三種替代Si和SiC MOSFET的方案、開關電源進階應用等精彩內容。