碳化硅赋能浪潮教程：SiC JFET驱动工业与服务器电源革新

摘要

碳化硅(SiC)凭借其优异的材料特性，在服务器、工业电源等关键领域掀起技术变革浪潮。本教程聚焦SiC尤其是SiC JFET系列器件，从碳化硅如何重构电源设计逻辑出发，剖析其在工业与服务器电源场景的应用价值。本文为第一部分，将重点介绍碳化硅如何革新电源设计、工业与服务器电源。

(一)碳化硅如何革新电源设计

工业电源设备，本质上就像一座本地化的电力精炼厂。试想这样一个场景：如果原油通过管道直接输送给每位终端用户，所有精炼工序都在用户端完成——那么消费者使用的燃油车辆、农用机械或发电机(尤其是备用电源)能否实现高性价比的性能，首先取决于每个用户手中那套“微型精炼厂”能否高效地将原生原油转化为高辛烷值燃油。

这正是现代电力供应的现实：电力以“原生”形态输送——如同未经精炼的原油，表现为交流、不规则且不稳定。无论是数据中心、通信枢纽或制造工厂的开关设备，医疗机构的关键电力系统(EES)，还是生产汽车与可再生能源元器件工厂所依赖的关键电力基础设施，其整体运行性能，都直接取决于用户侧电源接口处的电源转换系统。

(二)能源革命：工业与服务器电源

(1) 电力变革的规模

碳化硅(SiC)半导体之于当今电力电子产业，正如19世纪50年代亨利·贝塞麦(Henry Bessemer)炼钢法之于全球铁路系统。钢铁制造的自动化与普及，使全球运输效率提升了数个数量级。如今，碳化硅正以同样宏大的规模推动多项技术革命：

• 其导热性能至少是硅的三倍，通常可达五倍

• 其击穿电场强度约为硅的10倍，可在承受更高电压的同时显著提升能效

• 凭借双倍的电子漂移速度，碳化硅器件能够实现极快的开关速度

所有这些特性共同为电源系统带来立竿见影的革命性优势：在满足现代直流应用所需的高电压(或在某些情况下所需的低电压)需求时，充分发挥高速、高效率开关的性能潜力。

(2) 开关电源相较于线性电源的优势

所有这些工业应用都要求电源高效供电。然而，高效并不总与简洁划等号。线性模式电源转换器通过一种非常简单的机制供电，有时仅需两个电容和两个电阻即可工作。

当半导体器件工作在线性模式(也称为“有源模式”)时——如图中右侧“Active”区域所示——其输出电流ID主要通过输入电压VDS的大小来控制。从这个角度看，该器件本质上相当于一个放大器，其输出波形能忠实复现输入波形。

线性模式不适用于工业电力电子应用的主要原因在于发热问题。半导体器件未能转化为输出电压的那部分能量必须以热能形式耗散。器件温度越高，工作效率就越低。

而在开关模式下，晶体管产生方波信号，此时功率器件工作于图中左侧的“ohimic”区。在相同电流水平下，其VDS电压显著降低，导通损耗因此大幅减少，从而显著提升效率。这种模式也被称为“数字模式”，其波形反映了二进制开关的输出特性。

正是这种方波信号，经由功率因数校正(PFC)电路整形后，转化为电子元件可稳定使用的电流与电压。现代开关模式电源中的PFC技术，不仅实现了高能效，还确保了优异的热稳定性。

(3) 宽禁带材料的优势

作为一种半导体材料，碳化硅(SiC)拥有备受重视的特性——宽禁带(wide bandgap)。半导体显然需要具备一定的导电能力，但理想情况下，材料也应具备良好的天然绝缘特性。宽禁带材料(如SiC)具有一个较宽的能量区间，其中不存在电子态。这一特性使碳化硅相比传统硅(Si)具备多项显著优势：

• 更高的功率效率，尤其是在开关过程中，能实现更快的开关速度和更低的损耗

• 介电击穿场强高达Si的10倍，使SiC能承受更高电压而不被击穿，同时保持可靠性

• 卓越的环境耐热性，让SiC器件即使在严苛环境中(如沙漠地区的超大规模数据中心)也能稳定可靠运行

• 双倍电子漂移速度，为PWM控制带来更高的开关频率

• 三倍导热系数，不仅明显优于硅，也超越了GaN(氮化镓)材料，在散热性能上占据明显优势

在工业和服务器电源系统中，安森美(onsemi)已凭借其EliteSiC M3S MOSFET实现了电源效率的革命性突破。该系列产品具备超低栅极电荷(QG)，可大幅降低栅极驱动与开关损耗;其极低的导通电阻(RDS(on))有效减少导通损耗;极低的反向恢复电荷(QRR)，不仅抑制电压尖峰，还最大限度地减少开关过程中的能量损耗(ERR)。目前，EliteSiC MOSFET正助力电源制造商满足开放计算项目(Open Compute)针对3000W AC-DC电源提出的开放式机架(Open Rack)严苛标准。而SiC技术的革新之路，仍蕴藏着巨大的潜力等待释放。

(4) 服务器电源需满足的可靠供电要求

随着生成式AI的大规模应用，对服务器机架功率密度提出前所未有的要求——尤其是在那些引领Open Rack标准的超大规模数据中心中——下一代电源单元(PSU)与配电单元(PDU)需具备更高的可靠性，更快的开关速度以及更优异的导热性能。安森美SiC Cascode JFET(CJFET)应用于当前最高效的功率整流技术(如图腾柱PFC，TPPFC)，可在不牺牲效率的前提下，实现更高的功率密度、更卓越的性能，并进一步降低功耗。

开放计算项目(Open Compute Project, OCP)制定了面向数据中心服务器、机架及功率器件的国际标准，其中包括适用于大规模和超大规模数据中心服务器机架的Open Rack标准。要获得OCP的钛金(Titanium)80PLUS认证，一款额定功率为3.3kW、输入电压为230VAC的电源必须在50%负载条件下持续实现96%的电源效率。

上图展示的是一个基于安森美1.5kW评估板进行测试的图腾柱功率因数校正(TPPFC)电路，其中采用了安森美SiC CJFET，并工作于连续导通模式(CCM)。该电路设计彻底消除了所有二极管导通损耗，包括输入整流桥二极管和PFC二极管损耗。

通常，SiC MOSFET需要正负栅极驱动，总栅极电压摆幅需要达到20V至25V，这会使栅极电压接近其建议的最大额定值，从而需要更加关注栅极电荷损耗。而安森美CJFET中的MOSFET部分，其栅极电压摆幅约为12V，更类似于超级结MOSFET。得益于CJFET所实现的优异开关损耗恢复能力，使得TPPFC的电源效率高达99.4%，远超OCP钛金80PLUS认证的要求。

(5) 分立式太阳能逆变器的能效提升潜力

太阳能采集的能量为直流电(DC)，但要与家庭、办公室及其他建筑中现有的交流配电系统兼容，必须将其“逆变”——即从直流电转换为交流电(AC)。如此一来，台式电脑等设备的电源才能像平常一样，将输入的交流电再次整流为直流电以供使用。

逆变器的核心功能是将直流电压信号转换为纯净的单相交流正弦波。早期方案采用两电平逆变技术，通过在+VDC与-VDC两个直流电平之间阶梯式切换，粗略逼近正弦波形。随后，该技术演进为三电平架构，新增一个0V中间电平，形成所谓的中性点钳位(Neutral Point Clamped, NPC)拓扑。尽管结构更复杂，但三电平方案显著提升了输出波形质量与系统稳定性，因此目前已成为行业主流。

然而，随着碳化硅(SiC)材料的引入，如今已可制造最高工作电压超过2000V的太阳能逆变器件。展望未来，基于安森美碳化硅工艺，由CJFET驱动的新型逆变器有望大规模应用。这类器件将使两电平太阳能逆变器重新焕发活力——在大幅简化电路结构、降低设计复杂度与制造成本的同时，仍能实现与当前三电平逆变器相当的开关速度和功率转换效率。

(6) 工程技术如何保障工业电力可靠性

所有依赖持续稳定清洁电能的企业与行业，都会最大限度地采用工业级不间断电源(UPS)。普通用电者或许难以察觉，但对于工程师而言这是基本常识：在线式UPS先将输入的交流电转换为直流电，利用直流电为蓄电池储能系统充电，随后再将直流电逆变为交流电，供那些自身配备独立电源(带交直流转换器)的器件和设备使用。

工业级UPS的目标是输出一个波形纯净、稳定的交流正弦波。为实现这一目标，需经历被称为“混合模式”的工作阶段——在此过程中，输入的交流电首先通过功率因数校正(PFC)转换为直流电。上图展示的正是在DC-AC转换之前，输入的三相电源经历的双重PFC转换过程。混合模式即指中间的DC-DC变换环节，该环节对转换效率要求极为严苛，原因不仅在于它承担着为电池充电的任务，更关键的是：电池充电电流与最终输出的交流电在此阶段是叠加的，整个系统必须能够同时承受这两路电流。

如今，安森美通过采用可靠的SiC MOSFET功率集成模块(PIM)，为工业UPS市场提供解决方案。展望不久的将来，其EliteSiC共源共栅型JFET(Cascode JFET)正蓄势待发，以满足工业自动化、AI数据中心和加密计算等新兴领域不断演进的电力需求。这些器件具备业界领先的开关速度，并拥有当前市场上极低的单位面积导通电阻RDS(A)。通过简化上述电路架构，安森美的CJFET有望显著减少元器件数量，缩小体积并降低系统整体成本。

未完待续。后续将涵盖：三种替代Si和SiC MOSFET的方案、开关电源进阶应用等精彩内容。