【技术】一文介绍芯众享碳化硅和氮化镓器件在服务器电源上的应用

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时间： 2023-08-14 来源：芯众享 发布者：芯众享（成都）微电子有限公司

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首先，让我们来看看目前数据中心通常采用的电源架构，即中间总线架构IBA（Intermediate Bus Architecture）。电网交流电进入数据中心后在开关电源处被转变为直流电，进入到服务器的板载电源部分，再经过电压调节VR转换成一个电压较低的直流电，例如3.3V, 1.8V或1.2V，供给CPU和GPU等负载所需。另有备份电池系统BBU在紧急情况下，为服务器提供短暂的供电以备份数据。

开关电源后的这段直流部分即为中间总线，可以分为传统的12V架构和较新的48V架构。简单的表述，前者为电网交流直接转换到到12V直流，再到负载点POL。而后者可以为交流电先转化为48V直流，然后或直接到负载点POL，或又降压至12V直流（或者5V-7V）再到负载点POL。

因此，服务器电源的设计主要包括AC/DC，DC/DC和POL三个部分。其中DC/DC可以分为高压DC/DC部分（交流电到48V或12V），以及低压DC/DC（48V到12V）部分。按照是否要兼容目前基于12V电源的服务器，低压DC/DC又可分为了输出电压固定的48V/12V，以及转换比率固定的两种DC/DC。

过去，服务器电源的PFC和DCDC主级与次级侧只能选用基于硅技术的超结MOSFET、中低压MOSFET，以及硅二极管。但是随着第三代半导体技术的成熟，碳化硅和氮化镓逐渐在服务器电源中开始取代或者尝试取代硅器件。

碳化硅在服务器电源中率先得到应用。得益于碳化硅极小的反向恢复损耗，碳化硅二极管较早便取代了PFC中的硅二极管，立竿见影的提高了PFC的效率。随着碳化硅MOSFET技术的成熟和可靠性的提高，又出现了采用碳化硅MOSFET取代硅MOSFET的设计，因此可以用较少元件实现较高的功率密度。2.2 KW无桥图腾柱PFC即为一例，仅仅采用两颗碳化硅MOSFET作为其中的开关器件，效率就可以相当于更复杂的全桥PFC。

根据服务器电源AC/DC的电压以及对开关频率和效率的要求，PFC也是氮化镓的应用领域。与硅MOSFET相比，氮化镓的栅极电容和输出电容更小，导通电阻较低，反向恢复电荷很小，因此开关损耗和导通损耗较低。另外，氮化镓可以实现高于硅MOSFET和碳化硅MOSFET的开关频率，因此可以采用较小的电感，从而实现紧凑的系统体积和更高的功率密度。由于轻载情况下功率器件的损耗主要为开关损耗，因此采用氮化镓芯片的PFC在轻载时效率明显高于碳化硅PFC。

紧接PFC后的高压DC/DC部分亦是氮化镓的应用舞台。例如，基于谐振LLC的拓扑结构的DCDC，如果采用氮化镓芯片，不仅可以在效率方面更好，还可以提高功率密度。

如果在PFC和高压DC/DC中都采用氮化镓作为开关器件，则AC/DC系统的体积可以大大缩小。

如果比较基于氮化镓和碳化硅的AC/DC的话，当工作频率升高时，碳化硅系统效率的降低快于氮化镓系统。因此，如果系统要求工作频率高于200KHz，或者对轻载至半载效率有要求，则在两种第三代半导体中首选氮化镓。如果工作时环境温度高，或是干扰大，则碳化硅更有优势。

综上可见，碳化硅和氮化镓技术在服务器电源中具备一些传统硅器件没有的优点，带来效率提高和功率密度增加。

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