根據國際能源署(IEA)的數據，人工智能(AI)領域的爆炸性增長正在大幅增加數據中心的電力需求，預計2022年至2025年間，其電力消耗將翻倍以上。除了成本增加，這也給老化的電力基礎設施帶來了壓力，這些基礎設施已經電力不足，需要新的投資。

　　數據中心電力使用的激增意味著對能高效轉換電力的功率半導體的需求不斷上升，以降低成本并減少溫室氣體排放，朝著凈零目標邁進。此外，市場也在持續推動降低整體系統成本和更緊湊的電源系統。

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　　冷卻是數據中心面臨的一大問題，預計在大多數數據中心中，冷卻系統的電力使用占比超過40%。實際上，當我們談論電源效率時，浪費的能量主要以熱量的形式散失，這需要數據中心的空調系統來移除。因此，更高效的電力轉換意味著更少的熱量，從而減少用于冷卻的電力開支。

　　數據中心的交流直流轉換需求

　　在數據中心，電源密度正在快速增長，電源單元(PSU)供應商正在努力將更高功率的能力集成到標準1U機架中。十年前，平均每個機架的電力密度大約在4到5千瓦，而如今的超大規模云公司，如亞馬遜、微軟或Facebook，通常每個機架的功率需求已達20到30千瓦。一些專業系統甚至要求每個機架達到100千瓦或更高。

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　　這些高功率密度要求緊湊型電源，適合小型外形。同時，它們還需具備高效率，因為在有限的空間中，散熱和管理電力轉換損耗所產生的熱量的空間非常有限。

　　然而，挑戰不僅僅在于提高整體效率——電源還必須滿足數據中心行業的特定需求。例如，所有AI數據中心的電源單元都應符合嚴格的開放機架V3(ORV3)基礎規范。

　　最近，服務器機架供應商推出了一款新的交流直流電源單元(PSU)，其額定輸入范圍為200至277伏交流電，輸出為50伏直流電。該電源符合ORV3標準，要求在30%至100%負載條件下的峰值效率超過97.5%，10%至30%負載條件下的最低效率為94%。

　　服務器機架電源單元拓撲選擇

　　作為電源單元交流直流轉換的關鍵部分，在功率因數校正(PFC)階段實現高效率至關重要。PFC階段通過調整輸入電流，最大化有用功率與總輸入功率的比率。PFC設計在滿足電磁兼容性(EMC)法規(如IEC 61000-3-2)和確保符合能效規范(如Energy Star)方面也是至關重要的。

　　在許多應用中，特別是在數據中心，PFC階段的最佳設計方法是“圖騰柱”PFC拓撲。這通常用于數據中心3千瓦至8千瓦系統的電源PFC模塊。基于MOSFET的圖騰柱PFC階段通過去除笨重且損耗大的橋式整流器，提高了交流電源的效率和密度。

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　　但是，要達到超大規模數據中心公司所要求的97.5%或更高的效率，圖騰柱PFC需要采用“寬帶隙”半導體，如碳化硅(SIC)。目前，所有的PFC階段均使用SiC MOSFET進行快速開關，而基于硅的超結MOSFET則用于相位或慢開關。

　　與硅MOSFET相比，SiC MOSFET具有更好的性能和更高的效率。它們在高溫下表現優越，具有更好的穩健性，并且能夠在更高的開關頻率下工作。

　　與基于硅的超結MOSFET相比，SiC MOSFET在輸出電容中存儲的能量(EOSS)較低，這在低負載條件下至關重要，因為PFC階段的主要開關損耗是由EOSS和柵極電荷相對較高的器件引起的。較低的EOSS可最小化開關時的能量損耗，從而實現圖騰柱PFC快速開關的更高效率。此外，SiC MOSFET的RDS(ON)的正溫度系數相比于基于硅的超結MOSFET更佳，得益于其熱導率是基于硅器件的三倍。

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　　下圖顯示了650 V SiC MOSFET的導通電阻與結溫的關系。在175攝氏度的結溫下，導通電阻比室溫時高出1.5倍。

　　同樣，下面的圖(圖4)顯示了650 V超結MOSFET的導通電阻與結溫的關系。在175攝氏度的結溫下，導通電阻超過室溫時的2.5倍。

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　　比較同等RDS(ON)額定值的650 V超結MOSFET與650 V SiC MOSFET，650 V超結MOSFET在175攝氏度的結溫(Tj)下，RDS(ON)增加至約50毫歐。而650 V SiC MOSFET的導通電阻(RDS(ON))則在175攝氏度時約為30毫歐。在高溫工作時，650 V SiC MOSFET具有較低的導通損耗。

　　在圖騰柱PFC慢開關塊和LLC塊中，導通損耗主導著整體功率損失。SiC MOSFET在高結溫下較低的RDS(ON)提高了系統效率。

　　SiC MOSFET在圖騰柱PFC拓撲中表現出色，因其在高溫下RDS(ON)的增幅最小和優越的EOSS特性，有助于提高效率并降低能量損耗。

　　高效SiC MOSFET技術

　　Onsemi的650 V M3S EliteSiC MOSFET，包括NTBL032N065M3S和NTBL023N065M3S，提供最佳的開關性能，并在PFC和LLC階段顯著提高系統效率。M3S EliteSiC技術相較于前代產品，柵極電荷減少50%，EOSS降低44%，輸出電容中存儲電荷(QOSS)減少44%。這一優越的EOSS特性在PFC階段硬開關拓撲中使用時，在輕負載下提高了系統效率。此外，較低的QOSS簡化了LLC階段軟開關拓撲的諧振tank電感設計。

　　M3S EliteSiC MOSFET因其出色的開關性能和功率效率散熱更少。除了幫助減少數據中心的冷卻需求外，M3S EliteSiC MOSFET還能夠在PFC和DC-DC模塊中“低溫工作”，例如電動車的壁掛式直流充電器。

　　M3S EliteSiC MOSFET提供了柵極電荷Qg并減少了柵極驅動損耗。出色的Qgs和Qgd也有助于降低開關開啟和關閉損耗。在LLC塊中，VDS從關斷態轉變為二極管導通狀態需要充電輸出電容。為快速實現這一點，低瞬態輸出電容(COSS(TR))是必要的。瞬態COSS在這里非常重要，因為這可以最小化諧振tank的循環損耗，并縮短LLC的死區時間，從而降低主側的循環損耗。低導通電阻能夠最小化導通損耗，而低EOFF則有助于將開關損耗保持在最低水平。總體來看，更高的系統效率是最重要的性能標準，這使得SiC MOSFET成為數據中心PFC和LLC階段的最佳選擇。

　　EliteSiC MOSFET適用于能源基礎設施應用，如光伏發電機、儲能系統、不間斷電源和電動車充電站。設計工程師可以通過使用M3S EliteSiC MOSFET降低整體系統尺寸，從而提高工作頻率。從系統的角度看，設計工程師可以使用M3S EliteSiC MOSFET相較于基于硅的650 V超結MOSFET降低系統成本。

　　總的來說，新的EliteSiC MOSFET在成本、電磁干擾、高溫操作和開關性能等方面與市場上的超結MOSFET具有競爭力，均基于相同的RDS(ON)。650 V M3S EliteSiC MOSFET在同一封裝中接近低于超結MOSFET的RDS(ON)，從而提高了LLC拓撲的系統效率。由于其切換損耗遠低于其他硅基設備，使其在其他硅基替代品中表現優越。

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　　總結

　　采用SiC MOSFET可以顯著提高PFC和LLC階段的效率。Onsemi的650 V M3S EliteSiC MOSFET在超大規模數據中心中顯著提高了PFC和LLC階段的效率。650 V M3S EliteSiC MOSFET提供更低的柵極電荷、EOSS和QOSS，提升了效率并簡化了PFC和LLC階段硬開關拓撲的設計，從而幫助減少電力使用和降低運營成本。

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