全新功率半导体技术助力数据中心节能

2009年12月23日 15:12    李宽
关键词: 半导体 , 功率 , 技术 , 节能 , 数据
世界各地计算机数量众多,耗能量也相当庞大,而支撑互联网运作的数据中心就是一大耗能实例。在一个典型的数据中心设施中,其实只有不到一半的功耗是用在计算功能上的。所以数据中心运营商千方百计寻找机会来提高功率转换效率和分配效率,例如通过高压直流源的分配来减小转换级的数目。

在美国,供电网把大约13 800Vac的交流电配送到各个社区,最后利用变压器(不对能耗产生显著影响)将电压降为480Vac。而每个数据中心几乎都备有一个UPS(不间断电源)。可是,这个功率调节级的效率可能只有70%。在服务器机架上,208Vac的交流电压被转换为12或48Vdc的直流电压,再降压至处理器、硬盘驱动器和内存所需的总线电压。

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图1 一个典型数据中心的功率转换级

以一个每板带两个处理器的满装服务器机架为例,假设转换效率为90%,若功耗为5kW,则会浪费500W的能量。高性能低压MOSFET具有更低的导通阻抗和更低的开关损耗,能够提高这些转换级的效率。

上一代降压转换器采用肖特基二极管和60V额定电压的功率MOSFET,效率为80%~85%;而现在使用的功率MOSFET产品,即使处理器输入电压下降,也能够获得90%以上的效率。

先进的低压功率MOSFET降低损耗

在20世纪90年代中期以前,因为传导损耗(I2R)仍是总功耗的主要成分,低压功率MOSFET的开发焦点一直放在RDS(ON)上。随着开关频率的上升,研究人员开始逐渐关注栅极电容和栅极电荷。图2所示为功率MOSFET品质因数(归一化RSP和 RSP·QGD)的变化趋势。在过去14年间,这些参数减小了近10倍。

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图2 30V功率MOSFET的品质因数的变化趋势

业界已开发出数种能够减小导通阻抗和栅极电荷的新技术,其中一种技术就是在栅极沟槽底部采用一层加厚的氧化层(见图3)。这种方案不仅有助于降低栅漏电容(CGD),还能增大漂移区的阻抗。它也有利于降低导通阻抗和栅极电荷,因为现在可以一方面通过薄栅极氧化层来获得更低的Vth(阈值电压)以及更低的导通阻抗,同时又可以在沟槽底部采用加厚氧化层以获得最低的CGD。

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图3 底部带加厚氧化层的功率MOSFET器件横截面图

还有一种技术就是采用电荷平衡或超级结器件结构。它最初是针对高压器件开发的,现在也可用于低压器件。利用电荷平衡方案,可以在漂移区获得两维电荷耦合,因而能够在漂移区采用更高的掺杂浓度,最终降低漂移阻抗。飞兆半导体通过采用第四个电极、屏蔽以及加厚氧化层,实现了这种概念,如图4所示。

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图4 带屏蔽电极的功率MOSFET器件横截面图

其他参数现在也变得更具相关性,例如,体二极管反向恢复、内部栅极阻抗以及MOSFET的输出电荷(QOSS)。低压MOSFET产品现在开始针对二极管反向恢复以及输出电容的最小化而优化。在开关频率和输出电流较高时,这些损耗元件的重要性便更为明显。

封装阻抗、电感及其热特性也对功耗有着重大影响,随着目前器件尺寸越来越小,以及组合封装解决方案在应用中开始逐渐流行,这一点便尤其显著。

在DC/DC转换器应用中,重负载条件下,因传导损耗,效率主要由导通阻抗决定;而在轻负载条件下,控制效率的主要因素是栅极电荷、反向恢复电荷和输出电容。图5显示了不同输出负载条件下,各个元件的相对功耗。

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图5 DC/DC转换器中各个元件的相对功耗

最近几年来,功率转换半导体解决方案的开发速度大大加快。2010年推出的器件的效率增益,特别是轻载条件下的效率增益,预计将有大幅度提高(如图6所示)。

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图6 两代功率MOSFET技术之间的效率比较

先进的高压器件降低AC/DC级的功耗

带PFC的开关模式电源通常运用在数据中心,而现在也常见于电信电源和白色家电,以执行第一级功率转换。功率因数校正电路历来都是采用整合了功率开关(MOSFET或IGBT)和升压二极管的升压转换器拓扑。不过,由于引入了软恢复二极管(如飞兆半导体的Hyperfast Stealth),可以去掉或简化缓冲电路,升压转换器可采用硬开关模式来实现。通过Stealth二极管或SiC肖特基二极管与SupreMOS等新超级结技术的结合,设计人员能够获得更低的传导损耗和开关损耗,并简化栅极驱动,减少EMI。

利用PFC不仅可以确保器件符合EN61000-3-2等规范标准,减少元件上的应力,从而减少谐波成分,增强可靠性;还能够通过增大电源的最大功率来提高转换效率。

AC/DC级的大多数大功率有源PFC设计都整合了一个连续电流模式(CCM)升压转换器拓扑,因为这种结构十分简单,并且具有很宽的AC 输入电压范围。另一种PFC工作模式,临界导通模式(BCM),则用于低功率级。CCM升压转换器(如图1所示)会采用硬开关模式控制升压二极管和开关器件,但是硬开关的缺点是二极管的反向恢复特性会增加开关器件的导通损耗,并产生EMI。

二极管的反向恢复特性决定了它如何从正向传导状态转换到反向电压阻断状态。如果反向恢复电流过于突然地从IRRM(最大反向恢复电流)返回到零,就会产生电压尖刺和严重的EMI。电路设计人员会通过降低开关的导通di/dt,或者增加缓冲电路(snubber circuit)来减轻这种效应。在使用以前的二极管技术的年代,设计人员只能采用一个软二极管或快速恢复二极管。不过,以往软二极管技术的IRRM值很大,在二极管trr(反向恢复时间)期间会产生很大的导通损耗;同时,降低开关导通速度也会增加开关导通损耗。而增添缓冲电路又会增加成本和复杂性,并降低可靠性。除此之外,因为基本RC方案中缓冲电阻的功耗很大,使缓冲电路还常常涉及复杂的能量恢复方案。为解决这个问题,可采用一个Stealth II二极管来减小导通损耗。MOSFET超级结技术能够极大地降低导通阻抗RDS(ON),从而降低传导损耗;而且超级结器件的速度非常快,可大大降低关断损耗。只要采用像SupreMOS和Stealth-II二极管这样的新技术,就能够使软开关PFC实现最大效率。

作者:飞兆半导体公司 Steven Sapp、Ritu Sodhi和Sampat Shekhawat
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