如今，数据中心迫切需要能够高效转换电能的功率半导体，以降低成本并减少排放。更高的电源转换效率意味着发热量减少，从而降低散热成本。
电源系统需要更低的系统总成本和紧凑的尺寸；因此必须提高功率密度，尤其是数据中心的平均功率密度正在迅速攀升。从十年前的每个 1U 机架通常只有 5 kW，增加到 现在的20 kW、30 kW 或更高。
电源供应器 (PSU) 还必须满足数据中心行业的特定需求。人工智能数据中心的 PSU 应满足严格的 Open Rack V3 (ORV3) 基本规范，要求 30% 到 100% 负载下的峰值效率达到 97.5% 以上，并且 10% 到 30% 负载下的最低效率达到 94%。
电源拓扑
作为 PSU 中交流/直流转换的关键部分，在功率因数校正 (PFC) 级实现高能效至关重要，该级负责调整输入电流，从而最大限度地提高有用功率与总输入功率的比率。为满足 IEC 61000-3-2 等法规中的电磁兼容性 (EMC) 标准，并确保符合 ENERGY STAR® 等能效规范，PFC 设计是关键所在。
在许多应用中，最佳方法是采用“图腾柱”PFC 拓扑（图 2），这种拓扑通常用于数据中心 3 kW 至 8 kW 系统的 PFC 功能块。图腾柱 PFC 级基于 MOSFET，通过移除体积大且损耗高的桥式整流器，提高了交流电源的能效和功率密度。
为了达到 97.5% 的能效，图腾柱 PFC 需要使用碳化硅 (SiC) 等“宽禁带”半导体的 MOSFET。如今，所有 PFC 级均采用 SiC MOSFET 作为快速开关桥臂，并使用硅基超级结 MOSFET 作为相位或慢速桥臂。
与超级结 MOSFET 等硅 (Si) MOSFET 相比，SiC MOSFET 具有更好的性能和更高的能效。它们在高温下表现出色，具有更强的稳健性，并能在更高的开关频率下运行。
与 Si MOSFET 相比，SiC MOSFET 在输出电容中存储的能量(EOSS)更少，这在 PFC 级的低负载条件下至关重要，因为在低负载运行下，开关损耗在整个 MOSFET 功耗中占据了主要部分。较低的 EOSS 和栅极电荷可最大限度地减少开关过程中的能量损失，从而提高图腾柱 PFC 快速桥臂的能效。此外，由于 SiC 器件具有出色的热导率，相当于硅基器件的三倍，因此与 Si MOSFET 相比，SiC MOSFET 具有更好的正温度系数 RDS(ON)。
这意味着，SiC MOSFET 的导通电阻在结温升高时增幅小于 Si MOSFET。在 175ºC 等高温下，SiC MOSFET 的导通损耗较低，而导通损耗在总功率损耗中占据主要部分。
下表比较了目前市面上的 650V 超级结 MOSFET 与安森美 (onsemi) 650V SiC MOSFET 的关键参数。
BVDSS
| 技术
| RDS(ON) (Typ.) @TJ:25C
| RDS(ON) (Typ.) @TJ:175C
| Qg
@400V
| Eoss @400V
|
| 650 V | 超级结 MOSFET | 23 mohm | 57.5 mohm | 259 nC | 27 uJ |
| 650 V | M3S
SiC MOSFET
| 23 mohm | 34.5 mohm | 69 nC | 15 uJ |
SiC MOSFET 助力实现高能效
在众多 SiC MOSFET 产品中，安森美 650 V M3S EliteSiC MOSFET（包括 NTBL032N065M3S 和 NTBL023N065M3S）提供了出众的开关性能，并显著提高了超大规模数据中心的 PFC 和 LLC 级能效。
M3S EliteSiC 技术性能远远超过其前代产品，其中栅极电荷降低了 50%，EOSS 降低了 44%，输出电容中存储的电荷(QOSS)也减少了 44%。用于 PFC 级的硬开关拓扑中时，这个出色的 EOSS 数值能够提高轻载下的系统能效。此外，较低的 QOSS 简化了 LLC 级软开关拓扑的谐振储能电感设计。
得益于出色的开关性能和能效，M3S EliteSiC MOSFET 散发的热量更少。此外，MOSFET 的栅极电荷 Qg 在同电压等级的产品中表现出色，能够降低栅极驱动损耗。同时，出色的 Qgs 和 Qgd 也有效降低了开关导通和关断损耗。
在 LLC 功能块中，当 VDS 从关断状态转换到二极管导通状态时，需要对输出电容进行放电。为了快速完成这一过程，必须使用低瞬态输出电容。瞬态 COSS 之所以重要，是因为它可以最大限度地减少谐振储能的循环损耗，并缩短 LLC 的死区时间，从而减少初级侧的循环损耗。低导通电阻能够最大限度地减少导通损耗，而低 EOFF 有助于最大限度地减少开关损耗。
总体而言，提升系统能效是最重要的性能标准，这使得 SiC MOSFET 成为数据中心 PFC 和 LLC 级的首选方案。
相较于市场上的众多其他 SiC MOSFET 产品，基于相同的 RDS(ON) ，安森美 650V EliteSiC MOSFET 在成本、EMI、高温运行和开关性能方面，可与超级结 MOSFET 竞争。650V M3S EliteSiC MOSFET 的 RDS(ON) 低于相同封装的超级结 MOSFET，这提升了 LLC 拓扑的系统能效，同时，由于其开关损耗远低于硅基替代品，因此性能表现优于后者。
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