數字化和云服務的快速部署推動了全球數據中心的增長。數據中心消耗全球近 1% 的電力，這一數字預計還會增長。元宇宙、增強現實和虛擬現實等行業趨勢將繼續消耗超出地球可持續生產的能源。雖然增加可再生能源是朝著正確方向邁出的一步，但這還不夠，由于服務器及其冷卻系統消耗著近 40% 的數據中心運營成本，能效成為需要重點關注的另一個領域。

 

數據中心電源的全球標準也繼續朝著更高效率的方向發展。開源計算項目（OCP）3.0 進一步優化硬件來降低能耗，80 Plus 白金和鈦金認證要求以及歐盟的（ErP）Lot 9 法規也在不斷發展（表 1）。Lot 9 的下一次更新已經安排在 2026 年 1 月。

 

▲ 表1：Lot 9 和 80 Plus 的要求類似，80Plus 鈦金應用要求 PFC 峰值效率超過 98.5%

 

 

隨著處理器和服務器功率的增加，數據中心每個機架也將使用更多的電源。隨著更高功率密度的發展趨勢，數據中心每個模塊在 2-4 kW。在第一代 12 V 系統中，這一功率意味著必須處理更高的電流。向服務器提供 1 kW 的功率，傳統的 12 V 架構需要提供 83 A 的電流。為了控制 I2R 損耗和解決安全問題，需要在此類系統的線束中使用更多的銅。

 

效率提升 1% 可使數據中心節省數千瓦功率，第二代電源架構采用 48 V（圖 1），I2R 損耗降低至十六分之一，同時仍低于 UL-60950-1 標準 60 V DC 安全超低電壓（SELV）限制，超過該限制需要采取額外的絕緣和測試。為了滿足新的能效要求，企業數據中心電力部門因此開始采用 48 V 架構。

 

第二代機架系統通常采用單獨的 2-4 kW 電源模塊構建，每個機架使用通過 48 V DC 電源充電的更小型不間斷電源（UPS），取代了第一代大規模高壓 UPS 和配電單元（PDU）。AC-DC 和 DC-DC 電源不僅為每塊服務器主板供電，還會為 UPS 電池充電。由于將第一代中的負載共享和冗余移除，這便要求每個電源在接近滿負荷（100%）的情況下運行。

 

▲ 圖1：第二代電力架構節省的全球能源相當于 27 座 1 吉瓦核電廠發電量。來源：Fred Lee，新一代數據中心電源架構

 

 

除了上述變化帶來的挑戰之外，值得注意的是，OCP 3.0、開放式機架 V.2（ORV）和比特幣/礦機電源單元（PSU）需要從 2 kW 轉至 3-4 kW 范圍。由于機架制造商繼續要求采用 40 mm（高）尺寸。因此電源供應商需要通過提高開關頻率，減小被動元器件體積來提高功率密度、以更高效率減小功率損耗，且更低成本的散熱管理滿足系統散熱要求。

 

在考慮使用半導體器件技術解決這些挑戰時，必須注意帶隙、臨界電擊穿、電子遷移率和熱導率方面的差異，所有這些因素都會影響系統的峰值工作溫度、電壓、效率和熱管理要求。

 

 

盡管硅（Si）是最常見的技術，但與氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）等寬禁帶材料相比，硅的帶隙較小，這限制了硅的工作溫度，其較低的擊穿電場限制了硅在較低電壓下的使用，而較低的熱導率也限制了功率密度。

 

為滿足數據中心電源所需的高效率，功率器件的開關損耗和傳導損耗都非常重要。當漏源導通電阻（RDS(ON)）較低, 并且隨溫度變化較小時，傳導損耗（即器件的 I2R 損耗）較低。

 

圖 2 顯示了歸一化 RDS(ON) 與溫度的關系曲線，許多設計人員都考慮使用這些技術來滿足第 2 代數據中心 PSU 要求，包括 SiC、GaN 和 Si 超級結（SJ）。有趣的是，GaN 和 SJ 器件在 25 °C  時都有較低的 RDS(ON)，對于數據中心電源而言，這一溫度不太實際。由于 GaN 和 SJ 器件的數據手冊通常規定 RDS(ON) 在 25 °C  時的值，這可能會誤導工程師，讓他們誤以為該 RDS(ON) 是系統工作時的導通電阻。

 

▲ 圖2：通用圖表顯示典型 MOSFET RDS(ON)（歸一化）隨溫度發生的變化

 

圖 2 中需要注意的另一個有趣特性是 RDS(ON) 隨溫度發生的變化。SiC 的曲線幾乎保持平坦，但是其他技術的器件顯示 RDS(ON) 顯著增加，但這一變化對 GaN 來說尤其明顯。由于設計人員必須在 120 °C 至 140 °C 的實際結溫下使用 RDS(ON)，因此 60 m? SiC 器件的 RDS(ON) 將達到 80 m?，而 40 m? Si SJ 或 GaN 器件的 RDS(ON) 將遠遠超過 80 m?。

 

 

GaN 的高電子遷移率特性使其在非常高的開關頻率下具有出色的效率，這點已經得到公認。在本文討論的技術中，GaN 的開關損耗最低（圖 3）。

 

▲ 圖3：在圖騰柱 PFC 仿真中比較 Wolfspeed 60 m? SiC 與 50 m? GaN 器件的研究。功率損耗與輸出功率（左）、電路（右）的關系

 

Wolfspeed 在圖騰柱 PFC 仿真中將 60 m? SiC 器件與 50 m? GaN 器件進行了比較，發現盡管 GaN 在整個功率范圍內的開關損耗略低，但這一優勢都被隨功率增加及之后結溫升高而增加的導通損耗所抵消。

 

由于器件存在功率限制，GaN 測試不得不在 3 kW 停止。該研究清楚地表明，在更高功率下SiC 的總損耗顯著降低。圖 4 對三種半導體技術的各種器件級性能規格進行了比較。

 

▲ 圖4：SiC 在高電壓、高功率和高溫應用（例如數據中心電源）中表現出色

 

乍看之下，我們注意到 GaN 的優勢是：在連續導通模式（CCM）同步整流器中，反向恢復電荷 Qrr 最低，開關損耗最低；在低死區時間、高頻率和高效率下，時間相關的輸出電容 Coss(tr) 最低；在硬開關拓撲中，能量相關的輸出電容 Coss(er) 最低，開關損耗最小。請注意，SiC 在這些屬性上緊隨 GaN 之后，而 Si 則明顯落后。

 

硅優勢包括結殼熱阻 Rthjc 最低（可提供更好的熱性能）和閾值電壓 Vth 最高（可提供更好的抗噪能力，使 Si 器件更易于驅動）。注意，GaN 具有極低的 Vth。

 

最大結溫 Tj_max 和雪崩能量、單脈沖 Eas 表明器件的穩定性。如圖所示，SiC 最穩定，而 GaN 不具備 Eas 能力。SiC 在整個溫度范圍內的 RDS(ON) 變化最小，因此高溫時的傳導損耗較低。在這種情況下，GaN 會顯著滯后，從而抵消低開關損耗帶來的所有優勢。

 

總之，SiC 的優勢有助于在更高的功率水平下，為企業數據中心和類似要求苛刻的應用中提供最高的效率和功率密度。

 

 

由于 Wolfspeed 開發的 SiC 技術成功從 Si 過渡而來，因此許多常見的表貼和通孔封裝也可用于 SiC 產品。然而，GaN 面臨封裝標準化帶來的獨特挑戰。

 

例如，GaN 通孔封裝并不常見，因為產品需要具有較低的寄生效應，并允許使用超高頻開關以最大程度利用材料的優勢。GaN 通常采用大型 QFN 或定制封裝。大型 QFN 存在電路板級可靠性問題，定制封裝缺乏多源可用性，分包商加工能力也不足。

 

GaN 帶來的功率器件封裝挑戰不止于此。其他常見問題包括：

 

開爾文源引腳在 SiC 中廣泛采用，可減小驅動回路雜散電感，實現更好的開關控制，但在共源共柵 GaN 中并不可行，因為其內部電容以及級聯的低壓 MOS 等寄生參數無法考慮在內。共源極無法消除，共源共柵 GaN 僅限于 TO-247-3（三引腳）封裝，其中柵極振蕩的脆弱性限制了開關速度。

 

市場上的一些定制封裝非常薄，限制了散熱器的可用空間。

 

市場上的另一種定制封裝具有頂部冷卻，這需要使用具有高導熱性的熱界面材料（TIM）實現器件散熱。

 

另一種用于 GaN 的無引線（TOLL）封裝將柵極和開爾文源極放置在不同于標準 Si 的方向上，這使得從后一種技術的過渡變得很麻煩。

 

▲ 圖5：Wolfspeed 的 TOLL 封裝明顯小于標準 TO-263，并且支持低成本表面貼裝

 

隨著市場轉向高功率密度設計和更嚴格的空間限制，無引線（TOLL）封裝具有高度低、尺寸小的優勢，其無引線封裝會降低引線電感，否則這在高頻操作中會成為一個問題。這種封裝的漏極焊盤面積更大，解決了小封裝散熱性能問題。

 

對于數據中心和服務器電源市場而言，TOLL 是一種相對較新的封裝方式。然而，Wolfspeed 正在從事這一方面的產品開發，為市場提供支持，例如面向數據中心和服務器電源的新 TOLL 封裝。

 

與基于 Si 的 H 橋相比，基于 SiC 的 CCM 圖騰柱 PFC 不僅具有更高的效率，而且在相同或更低的成本下具有更高的功率密度。不同技術之間的效率比較清楚地表明，雖然基于 SiC 和 GaN 的 CCM 圖騰柱 PFC 可以實現 99% 以上的效率，但 GaN 僅在非常輕的負載下具有效率優勢。如前所述，GaN 的 RDS(ON) 隨溫度的變化要大得多（圖 2）,這導致其效率曲線在較高功率/負載下急劇下降。因此，在數據中心等需要全天候或接近全天候滿負荷運行的應用中，GaN 無法滿足效率要求。

 

另一方面，SiC 在半負載時的效率與 GaN 相似，在滿負載時效率更高（圖 6）。

 

▲ 圖6：碳化硅是圖騰柱 PFC 的最佳選擇，尤其是對于高可靠性應用而言更是這樣

 

從更廣泛的角度來看，包括 SiC 和 GaN 基于 CCM 圖騰柱 PFC 的功率密度、元件數量和相對成本（表 2），我們注意到在高功率密度應用中，SiC 不僅在效率方面優于 GaN，而且在柵極驅動復雜性、控制和成本方面也優于 GaN。

▲ 表2：SiC 和 GaN 基無橋 PFC 的拓撲和元件分析

 

在對不同公司的寬禁帶器件設計的另一項比較中，Wolfspeed SiC 顯示出明顯優勢（表 3）。需要注意的一些要點是：

 

許多現有的參考設計要求實現不切實際的散熱管理，并限制了設計的靈活性。

 

由于 RDS(ON) 的溫度系數較高，基于 GaN FET 的圖騰柱設計在滿負載時效率較低。

 

正如預期的那樣，SiC 的低 RDS(ON) 溫度系數使 Wolfspeed 的設計從半負載到滿負載呈現出近乎平坦的效率曲線。

 

雖然 SiC 和 GaN 可滿足 2-4 kW 范圍內的無橋 PFC 要求，但高傳導損耗使 GaN 散熱設計在 4 kW 以上面臨挑戰。

 

為滿足 CE 的 EMI 要求，參考設計的系統頻率限制在 45-47 kHz 和 60-67 kHz 范圍內，將諧波保持在 150 kHz 以下，這就否定了 GaN 的低開關損耗優勢。

 

▲ 表3：市場上寬禁帶參考設計的競爭分析

 

 

Wolfspeed 的全新 3.6 kW 圖騰柱 PFC 參考設計（表 3，最后一行）旨在解決數據中心和服務器電源挑戰，在半負載時效率超過 99%，滿負載時效率超過 98.5%，達到 80 Plus 鈦金和 ErP Lot 9 要求。

 

▲ 表4：Wolfspeed 的 3.6 kW 設計中四 MOSFET 和雙 MOSFET 選項的效率和成本比較

 

該設計還提供了一定的靈活性，可以犧牲部分高效率以降低成本，但同時仍能滿足上述效率標準（表 4）。低成本選項用二極管取代設計中的低頻（LF）管腳的兩個 MOSFET，同時保留高頻 （HF ）管腳的兩個 MOSFET。

 

雙子板設計概念使客戶能夠根據其系統設計優先級靈活選擇正確的選項。

 

在開發此類解決方案時，Wolfspeed 利用其豐富經驗，開發出市場上經過最廣泛現場測試的 SiC 和碳化硅基氮化鎵（GaN on SiC）各類解決方案產品組合。Wolfspeed 的半導體團隊最為了解這兩種技術的優勢和未來潛力，只有 Wolfspeed 才能開發出最適合任何特定應用的技術。