咱们能够预见，跟着 5G 网络的布置，在世界规模内将有大规模的扩建浪潮，并需求许多高质量的电信来供给所需的电力。为了满意进步功率、下降运营本钱和下降物料清单本钱的需求，人们对宽带隙处理方案从头产生了爱好。相同，人们也在不断尽力进步服务器电源，使其能效水平不断进步，徘徊将热量损耗降至最低。现在，为数字经济、大数据、物联网和人工智能供给动力的超大规模
具有更大天线接纳）、可将数据速率进步 100-1000倍以及服务于构成物联网的数万亿器材的 5G网络，好像需求更大的功率。为了削减每个基站所需的功率，人们现已进行了许多技能改善，可是却或许需求更多的基站。为了供给先进的电源办理办法，从待机状况到满负荷状况，这些基站的电源有必要满意越来越严厉的功率要求。
SiC FET的新产品能够完成曾经无法完成的功率方针，而且咱们将在本文中研讨首要的拓扑结构和器材功用。咱们将评论在这一领域中咱们或许会了解到的状况，在这个领域中，硅基超结、SiC FET和氮化镓 (GaN)FET都将参加竞赛。
这些电源的共同点是功率因数校对 (PFC)段，该段以挨近单位功率因数将沟通整流为直流，输出电压为 400V，随后是一个直流转化器，该转化器将 400V 转化为 48V 或 12V，供体系内运用。然后，其他负荷点转化器为 CPU 和存储库供电。
假如检查一下数据中心服务器电源的运用状况，那么很显着，其大部分运用寿命都花在中轻负荷上。因而，PFC 段和直流-直流段有必要在一切负荷条件下都具有高功率，徘徊还要满意峰值负荷运转的热束缚。用于核算电源的众所周知的 80 Plus 规范能够展现这一点，如图 1 所示。服务器有必要满意钛金规范，即便在 10％ 的负荷下也要坚持高功率。图 2展现了开掘运算方案 (Open Compute Project)的典型规范，该规范的要求高于 3.3KW 级电源的钛金规范。
图 3展现了典型的电源体系结构，包含输入桥式整流器、配有 650V FET的简略双交织升压转化器 (PFC)和 SiC结势垒肖特基 (JBS)二极管，以及全桥 LLC级直流转化器。图中未展现输入 EMI滤波器。PFC级运用的典型开关频率为 65-150kHz。这儿，功率密度需求折衷，以完成较低频率下的更高功率，拜访在 150kHz 而不是 30kHz 下开关，电感器就能够小许多。这导致需求运用带有 SiC JBS二极管的硅基超结 MOSFET来坚持高功率，徘徊在 65-150kHz 下进行硬开关。高度先进的超结 MOSFET能够快速开关，而 SiC肖特基二极管有助于最大程度地下降 MOSFET 的翻开损耗。
在电路的 LLC 级，一般也运用 650V MOSFET。该电路坚持零电压开关 (ZVS) 运转并下降了封闭电流，因而损耗要低得多，并答应在 100-500kHz 的更高频率下作业，然后使变压器体积更小。在副边侧，导通电阻极低的 80-150V 硅 MOSFET用于整流高频副边沟通电压，以供给安稳的直流输出电压。挑选运用 650V FET，以便在某些作业条件下 ZVS丢掉时，寄生二极管的康复不会构成损坏。
再来看晶体管方面，在 PFC 级和直流转化器的高压侧，一般运用 650V 级器材。表 1概述了硅器材、GaN器材和 SiC器材的最新技能及其相关特性。就影响芯片尺寸的单位面积电阻 (RdsA)而言，到现在为止，SiC FET（SiC JFET的 RdsA）是最佳挑选。与硅基超结替代品比较，一切宽带隙器材均具有超卓的寄生二极管康复功能。可是，只需 SiC器材和硅器材能够处理雪崩能量。增强型 GaN器材的阈值电压 (Vth) 也很低，再加上其速度和较窄的栅极电压规模，使其难以驱动。
表 2展现了常用 TO247封装中的一些职业等效产品的比较。硅基超结 (Si SJ)器材和 UnitedSiC的产品可经过 0至 10V 驱动器驱动。SiCMOS选件需求不同的电压（例如 -4V 至 18V）。SiC器材均具有较低的输入电容（栅极电荷），并大大下降了二极管康复电荷 (Qrr)。硅基超结和 SiC FET的寄生二极管导电损耗低于 SiC MOSFET。
表 3展现了 DFN8×8占板空间中的类似器材的比较。硅基超结、SiC FET和 GaN 器材都能够由规范的硅栅极驱动器驱动。UnitedSiC的 FET产品具有十分低的导通电阻。最好运用最下方三行的功能表征比较具有不同的 150℃ RDS(ON)的器材。宽带隙处理方案供给了更好的功能表征，尤其是关于 Rds*Coss(tr)和Rds*Qrr。
图 4展现了 SiC FET、GaN FET和硅基超结 FET常用装备的截面体系结构。GaNHEMT 是横向器材，而其他器材类型是笔直器材。笔直电流活动使较高电压器材能够更紧凑地完成，拜访源级端子和漏级端子坐落晶片的相对侧，而不是在顶部外表上。在 GaN HEMT中，传导仅限于二维电子气 (2DEG)沟道，而 SiC器材运用短外表沟道，但大部分用于承载电流。SiC JFET具有大体积沟道，加上其笔直特性，其单位面积电阻 (RdsA) 最低，芯片尺寸也最小。然后用低压硅 MOSFET级联（将电阻添加 10％），以构成 SiC FET。
跟着器材的改善，终究的开关速度极限是由对器材输出电容 Coss充电的负荷电流决议的。关于给定的导通电阻，低 Coss(tr)值可供给最快的压摆率，以及到达 400V 的最短推迟时刻。从表 3能够显着看出，SiC FET在这方面体现十分超卓，而且是高频功率转化的不错挑选。
就 Qrr而言，与硅基超结器材比较，宽带隙选件的功能均有大幅进步。因而，只需电路如在接连电流形式 (CCM)图腾柱 PFC 中相同运用硬开关翻开，就挑选这些器材。假如这些电路在续流状况下运用寄生二极管导电，则寄生二极管的开态压降会导致导电损耗。因而，一般运用同步导电，翻开 FET沟道以削减这些损耗。在检测电流反向与翻开 FET沟道之间一般会有一个推迟，在高频下，这个时刻就成为开关周期的重要组成部分。例如，假如开关频率为 100kHz（10us 周期），则死区时刻为 100ns，在此期间的二极管导电无关紧要。但在 1MHz（1000ns周期）的开关周期内，它则变为 10％。因而，寄生二极管的低导电压降 VSD和低 Qrr是有用的特性，而 SiC FET的两者都很低。
此外，最有用的电路选件可防止硬翻开，拜访虽然宽带隙器材的封闭损耗能够忽略不计，但翻开损耗却不能够忽略不计。凭借可用 FET的低栅极电荷、低导通电阻和封闭损耗，能够将软开关电路的频率进步 5-10倍。
在器材巩固性方面，一切 SiC选件均具有超卓的雪崩才能，然后进步了转化器的体系可靠性。虽然其芯片尺寸较小，但一般能够超越超结 FET的才能，尤其是在大电流电平下。GaN器材无法处理雪崩，因而规划为具有高击穿电压，以防止呈现此作业区。图 5展现了来自 UnitedSiC的 40mohm、650V SiC FET接受 80A峰值雪崩电流（蓝色）的规模，这远远超出任何实际需求。观察到的击穿电压超越 800V （绿色）。
运用 SiC FET的要害简化之处在于，低压 MOSFET具有 5V 的阈值电压 VTH和 +/-25V 的最大栅源电压 VGS(MAX)额定值。它能够像硅基超结 MOSFET相同以 0到 10V（或12V）驱动。图 6是各种技能的引荐栅极驱动电压与相应栅极肯定最大额定值的比较。SiC MOSFET一般选用负和正栅极驱动，而且栅极电压需求 20至 25V 的总摆幅。栅极电压一般十分挨近肯定最大额定值，这需求细心留意栅极尖峰。较大的栅极摆幅在较高频率下或许会添加相当大的栅极电荷损耗。此外，要办理阈值电压 VTH磁滞问题，有必要细心遵从制造商的主张来确认栅极驱动电压电平。SiC FET在这方面十分灵敏，不只不需求对栅极电压电平进行如此细心的操控，而且能够在与 SiC MOSFET兼容的栅极电压下驱动。
图 6：比较各种硅基和 SiC器材类型的引荐栅极驱动和栅极电压最大额定值的图表。SiC FET具有共同的通用性
增强型 GaN器材一般具有较低的阈值电压 Vth，并在狭隘的栅极电压规模内驱动，该规模一般十分挨近肯定最大栅源电压 VGS极限。这需求专门的驱动器和细心的布局，以防止损坏开关。共源共栅选件能够防止其间一些困难。增强型器材的较低栅极电压摆幅有利于下降较高频率下的栅极损耗。
在一切状况下，跟着器材在更高的速度下运用，以高 dV/dt 坚持器材封闭变得越来越具有应战性。办理电源环路和栅极驱动环路电感的栅极电压尖峰也是如此。选用带有开尔文源级引脚的封装会有很大效果，可是咱们将在本文的后边部分中介绍其他选件。
图 7展现了图腾柱 PFC(TPPFC) 电路，以及运用 UJC06505K型 SiC FET在 1.5KW 的 UnitedSiC演示板上以 100kHz 测得的功率。该电路消除了来自输入二极管桥和 SiC PFC二极管的一切二极管导电损耗。在这种状况下，转化器将以接连电流形式 (CCM)形式运转，而且对器材进行硬开关。
图 7：根本图腾柱 PFC电路，以及与钛金规范比较较的功率数据，该数据在 UnitedSiC的演示板上运用 UJC06505K型 SiC FET 测得
图 8展现了在规划时可与耦合电感器一同运用的交织 TPPFC。该电路能够在接连电流形式下运用，也能够在临界导通形式下以更高的频率作业，拜访这样能够消除翻开损耗。运用 SiC FET能够在不献身功率的状况下完成十分高的功率密度，虽然在纹波电流较高且有必要检测电流过零点的状况下，操控和磁性规划的复杂性更高。
图 8：交织图腾柱 PFC，选用两个快速开关和一个线频开关半桥。耦合电感器办法答应运用临界传导形式运转，然后能够明显进步频率
表 4展现了运用图 1所示的交织式 PFC拓扑结构和图 8的交织式图腾柱 PFC 的损耗细分比较。在这两种状况下，咱们都假定一个 3KW 的转化器以 100kHz 的频率运转每个开关。交织意味着电感器的纹波频率为 200kHz。图腾柱 PFC的损耗下降了 25.7W（相关于 51.4A），然后能够完成钛金规范的净功率方针。这是经过消除桥式整流器的 24.3W 损耗完成的。本示例中运用的图腾柱 PFC需求四个以上的 FET和栅极驱动。
不需求检测电流穿插的另一种办法是运用附加的辅佐开关，以在翻开时完成零电压转化。运用比如辅佐谐振改换极 (ARCP)之类的谐振技能可消除翻开和封闭损耗，然后取得类似或更好的成果。可是，仅在功率远高于 5KW 时，更先进技能才有性价比优势。
拜访输出电压是固定的，因而图 1的全桥 LLC转化器可供给超卓的功率密度和功率，而且现在已成为大功率电平运用的工业主力。跟着功率下降，能够选用半桥 LLC实施方案。常用频率规模为100-500kHz，考虑到 12V 输出的大电流电平，下降损耗的要害作业搬运到了变压器副边 MOSFET和低压副边 MOSFET。
关于高压 FET，漏源电压 VDS从其封闭状况到二极管导电的过渡中需求对输出电容进行充电，而且为了快速进行充电，COSS(TR)有必要低。可是，用户有必要在 FET栅极进行同步导电之前尽量缩短死区时刻，以削减寄生二极管的导电损耗。开态下的低电阻可最大程度地减小导电损耗，大多数超结和宽带隙开关的封闭能量 EOFF较低，有助于将开关损耗坚持在最低水平。
假如在轻负荷条件下 ZVS丢掉，则或许发生二极管硬康复。关于宽带隙开关（例如 SiC FET），这样虽然不会带来任何富余，但会损坏硅基超结 MOSFET。为了最大程度地削减这种或许性，一般运用快速康复版别的超结 FET，但无需对 SiC FET采纳此类预防措施。
虽然硅基超结 FET的改善仍在持续，但未来几年 SiC和 GaN器材或许完成的改善水平会远远超越硅器材所能到达的水平。除了改善单位面积电阻 RdsA（每 2-3年进步 30-50％）之外，估计封装技能方面也会有许多改善。要处理的首要应战是低电感和小型外表贴装选件中怎么更有用的散热。
一种或许的途径是晋级为专为直接外表装置运用而规划的半桥元件或作为电路板中的嵌入式元件的半桥元件。这样就会简化电路板布局，并答应完成较低电感功率和栅极环路。
驱动器与功率器材集成的另一种新式途径是作为单个驱动器加开关或作为半桥元件。拜访大多数 SiC器材和 GaN器材都需求共同的驱动电压电平缓电路，因而能够将这种复杂性吸收到共封装或集成产品中，然后运用户更轻松。此外，每个器材随后都能够更好地发挥其悉数潜力。无疑，这将进一步节约体系本钱和功耗，并推进宽带隙器材的选用。
沿着这些思路，本系列的前几篇文章中介绍了具有集成半桥栅极驱动器的 SIP 半桥，该驱动器运用 35mohm，1200V SiC FET。许多供货商都在供给外表装置选件，而且这种趋势或许会加快。
650V 宽带隙开关的本钱现在正在敏捷下降。估计在未来两年内，UnitedSiC的650V FET将与硅器材价格挨近。跟着易用性的开展，这种趋势有望敏捷加快宽带隙器材在服务器和电信电源运用中的布置。
