根据国际能源署(IEA)的数据，人工智能(AI)领域的爆炸性增长正在大幅增加数据中心的电力需求，预计2022年至2025年间，其电力消耗将翻倍以上。除了成本增加，这也给老化的电力基础设施带来了压力，这些基础设施已经电力不足，需要新的投资。

　　数据中心电力使用的激增意味着对能高效转换电力的功率半导体的需求不断上升，以降低成本并减少温室气体排放，朝着净零目标迈进。此外，市场也在持续推动降低整体系统成本和更紧凑的电源系统。

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　　冷却是数据中心面临的一大问题，预计在大多数数据中心中，冷却系统的电力使用占比超过40%。实际上，当我们谈论电源效率时，浪费的能量主要以热量的形式散失，这需要数据中心的空调系统来移除。因此，更高效的电力转换意味着更少的热量，从而减少用于冷却的电力开支。

　　数据中心的交流直流转换需求

　　在数据中心，电源密度正在快速增长，电源单元(PSU)供应商正在努力将更高功率的能力集成到标准1U机架中。十年前，平均每个机架的电力密度大约在4到5千瓦，而如今的超大规模云公司，如亚马逊、微软或Facebook，通常每个机架的功率需求已达20到30千瓦。一些专业系统甚至要求每个机架达到100千瓦或更高。

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　　这些高功率密度要求紧凑型电源，适合小型外形。同时，它们还需具备高效率，因为在有限的空间中，散热和管理电力转换损耗所产生的热量的空间非常有限。

　　然而，挑战不仅仅在于提高整体效率——电源还必须满足数据中心行业的特定需求。例如，所有AI数据中心的电源单元都应符合严格的开放机架V3(ORV3)基础规范。

　　最近，服务器机架供应商推出了一款新的交流直流电源单元(PSU)，其额定输入范围为200至277伏交流电，输出为50伏直流电。该电源符合ORV3标准，要求在30%至100%负载条件下的峰值效率超过97.5%，10%至30%负载条件下的最低效率为94%。

　　服务器机架电源单元拓扑选择

　　作为电源单元交流直流转换的关键部分，在功率因数校正(PFC)阶段实现高效率至关重要。PFC阶段通过调整输入电流，最大化有用功率与总输入功率的比率。PFC设计在满足电磁兼容性(EMC)法规(如IEC 61000-3-2)和确保符合能效规范(如Energy Star)方面也是至关重要的。

　　在许多应用中，特别是在数据中心，PFC阶段的最佳设计方法是“图腾柱”PFC拓扑。这通常用于数据中心3千瓦至8千瓦系统的电源PFC模块。基于MOSFET的图腾柱PFC阶段通过去除笨重且损耗大的桥式整流器，提高了交流电源的效率和密度。

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　　但是，要达到超大规模数据中心公司所要求的97.5%或更高的效率，图腾柱PFC需要采用“宽带隙”半导体，如碳化硅(SIC)。目前，所有的PFC阶段均使用SiC MOSFET进行快速开关，而基于硅的超结MOSFET则用于相位或慢开关。

　　与硅MOSFET相比，SiC MOSFET具有更好的性能和更高的效率。它们在高温下表现优越，具有更好的稳健性，并且能够在更高的开关频率下工作。

　　与基于硅的超结MOSFET相比，SiC MOSFET在输出电容中存储的能量(EOSS)较低，这在低负载条件下至关重要，因为PFC阶段的主要开关损耗是由EOSS和栅极电荷相对较高的器件引起的。较低的EOSS可最小化开关时的能量损耗，从而实现图腾柱PFC快速开关的更高效率。此外，SiC MOSFET的RDS(ON)的正温度系数相比于基于硅的超结MOSFET更佳，得益于其热导率是基于硅器件的三倍。

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　　下图显示了650 V SiC MOSFET的导通电阻与结温的关系。在175摄氏度的结温下，导通电阻比室温时高出1.5倍。

　　同样，下面的图(图4)显示了650 V超结MOSFET的导通电阻与结温的关系。在175摄氏度的结温下，导通电阻超过室温时的2.5倍。

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　　比较同等RDS(ON)额定值的650 V超结MOSFET与650 V SiC MOSFET，650 V超结MOSFET在175摄氏度的结温(Tj)下，RDS(ON)增加至约50毫欧。而650 V SiC MOSFET的导通电阻(RDS(ON))则在175摄氏度时约为30毫欧。在高温工作时，650 V SiC MOSFET具有较低的导通损耗。

　　在图腾柱PFC慢开关块和LLC块中，导通损耗主导着整体功率损失。SiC MOSFET在高结温下较低的RDS(ON)提高了系统效率。

　　SiC MOSFET在图腾柱PFC拓扑中表现出色，因其在高温下RDS(ON)的增幅最小和优越的EOSS特性，有助于提高效率并降低能量损耗。

　　高效SiC MOSFET技术

　　Onsemi的650 V M3S EliteSiC MOSFET，包括NTBL032N065M3S和NTBL023N065M3S，提供最佳的开关性能，并在PFC和LLC阶段显著提高系统效率。M3S EliteSiC技术相较于前代产品，栅极电荷减少50%，EOSS降低44%，输出电容中存储电荷(QOSS)减少44%。这一优越的EOSS特性在PFC阶段硬开关拓扑中使用时，在轻负载下提高了系统效率。此外，较低的QOSS简化了LLC阶段软开关拓扑的谐振tank电感设计。

　　M3S EliteSiC MOSFET因其出色的开关性能和功率效率散热更少。除了帮助减少数据中心的冷却需求外，M3S EliteSiC MOSFET还能够在PFC和DC-DC模块中“低温工作”，例如电动车的壁挂式直流充电器。

　　M3S EliteSiC MOSFET提供了栅极电荷Qg并减少了栅极驱动损耗。出色的Qgs和Qgd也有助于降低开关开启和关闭损耗。在LLC块中，VDS从关断态转变为二极管导通状态需要充电输出电容。为快速实现这一点，低瞬态输出电容(COSS(TR))是必要的。瞬态COSS在这里非常重要，因为这可以最小化谐振tank的循环损耗，并缩短LLC的死区时间，从而降低主侧的循环损耗。低导通电阻能够最小化导通损耗，而低EOFF则有助于将开关损耗保持在最低水平。总体来看，更高的系统效率是最重要的性能标准，这使得SiC MOSFET成为数据中心PFC和LLC阶段的最佳选择。

　　EliteSiC MOSFET适用于能源基础设施应用，如光伏发电机、储能系统、不间断电源和电动车充电站。设计工程师可以通过使用M3S EliteSiC MOSFET降低整体系统尺寸，从而提高工作频率。从系统的角度看，设计工程师可以使用M3S EliteSiC MOSFET相较于基于硅的650 V超结MOSFET降低系统成本。

　　总的来说，新的EliteSiC MOSFET在成本、电磁干扰、高温操作和开关性能等方面与市场上的超结MOSFET具有竞争力，均基于相同的RDS(ON)。650 V M3S EliteSiC MOSFET在同一封装中接近低于超结MOSFET的RDS(ON)，从而提高了LLC拓扑的系统效率。由于其切换损耗远低于其他硅基设备，使其在其他硅基替代品中表现优越。

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　　总结

　　采用SiC MOSFET可以显著提高PFC和LLC阶段的效率。Onsemi的650 V M3S EliteSiC MOSFET在超大规模数据中心中显著提高了PFC和LLC阶段的效率。650 V M3S EliteSiC MOSFET提供更低的栅极电荷、EOSS和QOSS，提升了效率并简化了PFC和LLC阶段硬开关拓扑的设计，从而帮助减少电力使用和降低运营成本。

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