全新功率半导体技术助力数据中心节能

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。

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)。

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。