为何一个小改变就可以让电源的整体系统效率提升至98%？

任何电子产品都离不开电源，随着各个国家和地区能源标准的提升和用户环保意识的增强，对电源效率的要求越来越高。产业链内的公司和工程师们为了提升电源效率，减少能源浪费也是较劲了脑汁。最近，英飞凌分享了一个可以让电源的整体系统效率提升至98%的案例，引起了<电子发烧友>的注意。据英飞凌电源管理及多元化市场事业部大中华区开关电源应用高级市场经理陈清源介绍说，目前在大型数据中心，标准的功率密度大概是平均每个机架3kW，而且现在系统厂商普遍要求，在保证系统稳定度的前提下，整体系统的效率要超过96%，越高越高。因为数据中心散热也是一笔不小的开支，而效率的提升可以降低散热的成本。

图1：英飞凌3300W图腾柱pFC电源演示板。（来源：英飞凌）

英飞凌这个针对数据中心的电源解决方案实现了98%的整体系统效率，陈清源表示，这主要是因为使用了英飞凌新近推出的650VCoolSiCMOSFET和专用的单通道和双通道电气隔离EiceDRIVE栅极驱动电路IC。

图2：英飞凌电源管理及多元化市场事业部大中华区开关电源应用高级市场经理陈清源。

具体的方案框架如图3所示，上图采用的是pFC图腾柱，LLC是一个软开关。图腾柱部分使用的是SiC。如果只需要满足96%的效率，在LLC上可以选用硅芯片，这样成本可以做到最优。由于pFC的效率可以达到99%，使用了硅基芯片的LLC的效率可以达到97%，整体效率能够满足96%的需求。而如果将LLC也换成SiC器件的话，它的效率也可以达到99%，这样整个系统的效率就会达到98%。

图3：英飞凌的高效率电源解决方案。（来源：英飞凌）

陈清源承认，98%是一个比较极限的值，要想达到这个效率，需要使用到650VCoolSiCMOSFET和与之配套的EiceDRIVE栅极驱动电路IC，如果使用其他杉机驱动IC，可能系统效率就达不到98%了。

陈清源解释说，这是因为碳化硅的驱动方式与传统硅器件的驱动方式是不一样的，而EiceDRIVE栅极驱动电路IC是专门针对英飞凌碳化硅器件而设计的，搭配使用可以达到更好的效果，更高的稳定度。650VCoolSiCMOSFET是英飞凌在今年2月份推出的碳化硅系列产品，该系列目前有8个不同的产品，采用两种插件TO-247封装：一种是典型的TO-2473引脚封装，另一种是支持开关损耗更低的TO-2474引脚封装。

图4：英飞凌650VCoolSiCMOSFET。

新发布的这8个产品主要针对工业电源、光伏、充电桩、不间断电源系统、以及能源储存等应用场景。不过，陈清源指出，未来英飞凌陆续会推出更多的封装来应对不同的市场应用，他预计会推出50个以上的产品。他同时强调，英飞凌在碳化硅产品的可靠性方面做了很多工作，比如增加坚固耐用度；优化在栅极氧化层的可靠度；为了防止误导通，VGS重新设计在大于4V上；在一些特殊的拓扑，例如CCM图腾柱的拓扑加入了硬换相的体二极管等等。在易用性方面，放宽了VGS的电压范围，在0V电压可以关断VGS，不需要跟氮化镓一样做一个负电压。

图5：沟槽式与平面式MOSFET的可靠性和性能对比。（来源：英飞凌）

在陈清源看来，栅极氧化层是设计上的一大难点，因为它会影响产品的可靠度。目前在碳化硅的工艺上面、前端的工艺，主要有两个主流：一个是平面式，一个是沟槽式，英飞凌采取的是沟槽式，“因为我们沟槽式的经验来自于CoolMOS这十几二十年的工作经验，我们得到了很多的专业技术。也就是我们在用沟槽式的设计可以达到性能的要求，而不会偏离它的可靠度。就以碳化硅MOS为例，可能在同样的可靠度上面，碳化硅沟槽式的设计会远比平面式的碳化硅MOS拥有更高的性能。”他表示。

图6：Qrr和Qoss。

对于硬换向的拓扑，Qrr和Qoss是两个很重要的参数。英飞凌的CoolMOS一个系列有快速二极管在里面。但是事实上这个系列是为了硬换向的拓扑，有了碳化硅之后，这个碳化硅因为物理特性、产品的特性，事实上它在的Qrr是远低于硅器件的体二极管。再看Qoss，事实上这个参数也更低。所以说这个部分很适合在硬换向的拓扑可以达到更高的效率、更好的设计。当然其它竞品、其它供应商，他们也有碳化硅和MOSFET，他们也会涉及到这两个参数RDS(on)*Qrr，RDS(on)*Qoss。从各个供应商来看，“事实上它的参数的值都比英飞凌要高，表示这个技术上面我们还是取得不错的领先跟主导。甚至有一些供应商，它有一些参数是不标的，RDS(on)*Qrr、RDS(on)*Qoss是不标的，不标对工程师在设计上造成蛮大的困难，我们也跟业界的领导厂商也有很多讨论，他们也针对这些参数也跟我们讨论了很多。他们也很感谢，说英飞凌把整个规格书写的很清楚。我们有控制、有规范。”陈清源自豪地表示。他还举了一个实例来说明碳化硅器件的好处。使用了碳化硅的图腾柱pFC设计可以得到很高的效率。

图7：英飞凌的图腾柱pFC解决方案。

“刚刚我提到我们有四个RDS(on)，这边我们挑了48mΩ、72mΩ、107mΩ在这个图腾柱的设计，搭配英飞凌CFD7的一个S7系列，在图腾柱拓扑的设计。我们用了48mΩ，事实上它的效率可以在pFC达到99%。”陈清源表示。在以前，以硅的技术，事实上是很不容易做到。不能说：“不可能做到。”但是是很不容易做到，有这个好的器件事实上让工程师节省了很多的精力。而配合英飞凌的驱动IC，事实上可以让整个性能更加的优化，以及说它设计的稳定度更好。当然如果有的客户基于成本的考量，他不需要到99%，到97%、96%就可以了，“至少我们还有其它的选项，像72mΩ、107mΩ，事实上它的效率在重载的时候效率就比较低了，因为它的导通静态程式就比较多。”“这是一个很好的例子，就是说，以前做不到的，还是以前很不容易做到的，借由器件的优化、器件的突破，可以做到一个99%，接近零耗损的一个pFC。”陈清源说。

根据今年IHS的预估，今年碳化硅市场会有近5000万美元的市场份额。再往后到2028年，市场份额会达到1亿6000万美元。目前，碳化硅主要应用是电源供应器、不间断电源、电动汽车充电、马达驱动还有光伏跟储能的部分。其中，最大的部分来自电源。

图8：650VSiCMOSFET的市场和应用。

更为重要的是，碳化硅市场的年复合增长率是16%，这个数字相当有吸引力，从而吸引了很多竞争者进入这个市场。