【導(dǎo)讀】在功率轉(zhuǎn)換中，效率和功率密度至關(guān)重要。每一個(gè)造成能量損失的因素都會(huì)產(chǎn)生熱量，并需要通過(guò)昂貴且耗能的冷卻系統(tǒng)來(lái)去除。軟開(kāi)關(guān)技術(shù)與碳化硅（SiC）技術(shù)的結(jié)合為提升開(kāi)關(guān)頻率提供了可能；從而能夠縮減暫存能量和用于平滑開(kāi)關(guān)模式轉(zhuǎn)換器輸出無(wú)源元件的尺寸及數(shù)量，還為轉(zhuǎn)換器構(gòu)建了減少發(fā)熱量并由此使用更小散熱片的基礎(chǔ)。
在功率轉(zhuǎn)換中，效率和功率密度至關(guān)重要。每一個(gè)造成能量損失的因素都會(huì)產(chǎn)生熱量，并需要通過(guò)昂貴且耗能的冷卻系統(tǒng)來(lái)去除。軟開(kāi)關(guān)技術(shù)與碳化硅（SiC）技術(shù)的結(jié)合為提升開(kāi)關(guān)頻率提供了可能；從而能夠縮減暫存能量和用于平滑開(kāi)關(guān)模式轉(zhuǎn)換器輸出無(wú)源元件的尺寸及數(shù)量，還為轉(zhuǎn)換器構(gòu)建了減少發(fā)熱量并由此使用更小散熱片的基礎(chǔ)。
對(duì)于傳統(tǒng)的硅基功率晶體管而言，一些效率和頻率上的改進(jìn)得益于功率轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中從簡(jiǎn)單硬開(kāi)關(guān)向軟開(kāi)關(guān)架構(gòu)的轉(zhuǎn)變。這種工藝技術(shù)的變革之所以重要，是由于盡管硅技術(shù)在提高開(kāi)關(guān)頻率和改善效率方面取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，但SiC使得軟開(kāi)關(guān)技術(shù)得以更為有效地應(yīng)用。
硬開(kāi)關(guān)和軟開(kāi)關(guān)之間的主要區(qū)別在于，軟開(kāi)關(guān)減少或消除了功率晶體管在開(kāi)通和關(guān)斷階段默認(rèn)電壓及電流條件下的損耗。圖1展示了一個(gè)零電壓開(kāi)通（ZVS）技術(shù)的典型示例；其用于消除開(kāi)通時(shí)的開(kāi)關(guān)損耗。在電源開(kāi)關(guān)中，其余的主要損耗包括傳導(dǎo)損耗和關(guān)斷時(shí)的開(kāi)關(guān)損耗。隨著開(kāi)關(guān)頻率的增加，電壓和電流的同步擺動(dòng)會(huì)導(dǎo)致顯著的損耗。從概念上講，軟開(kāi)關(guān)通過(guò)調(diào)整電壓和電流擺動(dòng)的時(shí)序來(lái)減少或消除損耗；但“軟開(kāi)關(guān)”這一術(shù)語(yǔ)實(shí)際涵蓋了設(shè)計(jì)師用來(lái)限制損耗的多種技術(shù)。
圖1，ZVS軟開(kāi)關(guān)波形及不同開(kāi)關(guān)階段半橋電路的主要能量損耗來(lái)源
零電壓開(kāi)通（ZVS）是開(kāi)通階段最廣泛使用的軟開(kāi)關(guān)形式；它遵循一個(gè)簡(jiǎn)單的核心原理：在電流能自由通過(guò)晶體管溝道之前，減少漏極和源極間的電壓。在開(kāi)通之前，輸出電容也被充電到與漏-源電壓相同的水平；輸出電容是漏-源電容和柵-漏電容之和。為利用ZVS帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)，需要將這些存儲(chǔ)的電荷清除至負(fù)載中，以避免在開(kāi)通時(shí)漏-源電壓下降和漏-源電流上升同時(shí)發(fā)生而導(dǎo)致的損耗。理想情況下，當(dāng)晶體管溝道兩端的電壓較低（已接近零）時(shí)，電流開(kāi)始上升。
盡管ZVS的廣泛應(yīng)用解決了開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器中最重要的損耗源頭問(wèn)題，但如果設(shè)計(jì)師要充分利用更高頻率的工作優(yōu)勢(shì)，還需要密切關(guān)注其它損耗源。一些應(yīng)用正暴露出傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中一些效率低下的問(wèn)題。諸如大型語(yǔ)言模型等領(lǐng)先AI應(yīng)用對(duì)加速器的要求越來(lái)越高，導(dǎo)致這些加速器的工作溫度接近IC封裝的承熱極限；PCB上的每個(gè)器件都要消耗數(shù)百瓦的功率。其結(jié)果是，向承載多核微處理器、圖形處理單元和專(zhuān)用AI加速器的高密度機(jī)架所提供的電量急劇增加。
功率需求已達(dá)到一個(gè)臨界點(diǎn)；其中功率轉(zhuǎn)換器需要為機(jī)架式系統(tǒng)提供高達(dá)8kW的電力。在此過(guò)程中，它們將從數(shù)百伏的交流或直流饋電中取電，并以高電流水平將其轉(zhuǎn)換為48V電壓，以便分配給各個(gè)處理器群。這要求功率轉(zhuǎn)換器兼具高效率和高密度，并需要承受600V或更高電壓浪涌的故障。由于ZVS軟開(kāi)關(guān)將開(kāi)通開(kāi)關(guān)損耗降至接近0，因此在ZVS軟開(kāi)關(guān)應(yīng)用中，功率半導(dǎo)體的主要損耗變?yōu)閭鲗?dǎo)損耗。這使得導(dǎo)致下一個(gè)關(guān)鍵效率損失的原因成為關(guān)注點(diǎn)：即電流通過(guò)時(shí)晶體管溝道中電阻所引起的傳導(dǎo)損耗。
理想情況下，功率轉(zhuǎn)換器中的導(dǎo)通電阻應(yīng)盡可能低。工藝上的改進(jìn)已幫助硅超結(jié)器件滿(mǎn)足了這些需求；但設(shè)計(jì)師如今可以利用碳化硅（SiC）等寬帶隙技術(shù)，在400V至800V母線電壓的應(yīng)用中充分利用更低電阻所帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)。
碳化硅（SiC）在高密度功率轉(zhuǎn)換器中的一個(gè)首要優(yōu)勢(shì)在于，它能夠以極低的RdsA（單位面積導(dǎo)通電阻）支持高擊穿電壓；這對(duì)于數(shù)據(jù)中心的部署十分關(guān)鍵，因?yàn)閿?shù)據(jù)中心的配電電壓需要足夠高，以防止在電源電纜上產(chǎn)生過(guò)大的電阻損耗。
然而，并非所有的SiC器件都完全相同。用SiC的等效器件替換硅超結(jié)MOSFET以充分利用效率和功率密度方面的改進(jìn)，似乎是一個(gè)誘人的選擇。基于SiC的設(shè)計(jì)還帶來(lái)了其它機(jī)會(huì)，使得將MOSFET結(jié)構(gòu)替換為能夠大幅降低導(dǎo)通電阻的結(jié)構(gòu)變得更具價(jià)值。對(duì)此，結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管（JFET）結(jié)構(gòu)提供了關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。它具有概念上更簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)（如圖2中右下部分所示）；此外，得益于載流子無(wú)需先通過(guò)類(lèi)似MOSFET的溝道再進(jìn)入連接至漏極的n型漂移區(qū)，因而能夠?qū)崿F(xiàn)更低的整體電阻。這讓導(dǎo)通電阻更接近由擊穿電壓所決定的理論極限值；使得JFET與MOSFET相比，在擊穿電壓方面能提供更高的安全裕量，同時(shí)每單位面積的導(dǎo)通電阻更低。
圖2，SiC MOSFET與用于共源共柵電路SiC JFET的截面比較
JFET在功率電路中應(yīng)用較少使用的一個(gè)原因是它作為一種常開(kāi)型器件，需要負(fù)電壓才能完全關(guān)斷。通過(guò)使用共源共柵結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)更類(lèi)似于MOSFET（常關(guān)）的控制。這種結(jié)構(gòu)將SiC JFET與低壓硅基MOSFET串聯(lián)。在共源共柵結(jié)構(gòu)中采用低電壓硅基器件，如圖2右上部分所示，可最大限度地減小整體運(yùn)行電阻；均衡的設(shè)計(jì)使得MOSFET對(duì)總導(dǎo)通電阻的貢獻(xiàn)小于10%。因此，可以將MOSFET和JFET融合在單一封裝中，以便于集成和設(shè)計(jì)——Qorvo將這種設(shè)備類(lèi)型稱(chēng)為SiC FET；它與SiC MOSFET有著明顯的區(qū)別。
通過(guò)使用低電壓硅基MOSFET將控制柵極與JFET分離，可以避免通常會(huì)降低基于MOSFET設(shè)計(jì)性能的其它折衷。柵極控制的解耦使得可以在不犧牲SiC性能的前提下優(yōu)化柵極電壓及其相關(guān)電荷。標(biāo)準(zhǔn)的SiC MOSFET通常需要較高的柵極電壓，往往接近20V，以確保在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)的正確運(yùn)行。與JFET結(jié)合的共源共柵架構(gòu)使得使用較低的柵極電壓（0V至12V）成為可能，這有助于減少柵極電荷，而柵極電荷正是在開(kāi)關(guān)過(guò)程中產(chǎn)生損耗的另一個(gè)潛在來(lái)源，尤其是在輕負(fù)載時(shí)對(duì)于具有高開(kāi)關(guān)頻率的軟開(kāi)關(guān)應(yīng)用。
在共源共柵配置中結(jié)合使用JFET和硅基MOSFET，進(jìn)一步帶來(lái)了通過(guò)降低米勒電容（即柵極到漏極電容，Cgd）來(lái)提高效率的機(jī)會(huì)。高電容會(huì)對(duì)MOSFET的開(kāi)關(guān)速率產(chǎn)生不利影響。共源共柵結(jié)構(gòu)所實(shí)現(xiàn)的改進(jìn)同樣提升了密度，因?yàn)樗鼈兪沟瞄_(kāi)關(guān)頻率可以高于傳統(tǒng)硅基器件的實(shí)用水平。
盡管ZVS避免了開(kāi)通損耗，但仍然存在死區(qū)時(shí)間；在此期間沒(méi)有功率輸出。這種死區(qū)時(shí)間在硅基設(shè)計(jì)中可長(zhǎng)達(dá)300ns；它減少了每個(gè)周期內(nèi)可用于導(dǎo)通狀態(tài)的時(shí)長(zhǎng)比例，從而限制了最大可用開(kāi)關(guān)頻率。在500kHz的開(kāi)關(guān)頻率（周期為2μs）下，開(kāi)通和關(guān)斷邊緣的死區(qū)時(shí)間各為300ns，占整個(gè)開(kāi)通周期的30%。相比硅超結(jié)MOSFET，SiC JFET的輸出電容降低了10倍，從而顯著縮短了所需的死區(qū)時(shí)間并提高了頻率。
十分重要的一點(diǎn)是，不應(yīng)忽視在關(guān)斷階段降低損耗的機(jī)會(huì)，因?yàn)檫@在轉(zhuǎn)向SiC技術(shù)后可能更具優(yōu)勢(shì)。如果不使用額外的電路，當(dāng)晶體管關(guān)斷時(shí)，電流和漏-源電壓將同時(shí)變化，會(huì)導(dǎo)致類(lèi)似于硬開(kāi)關(guān)在開(kāi)通階段的損耗。然而，快速關(guān)斷除了減少關(guān)斷開(kāi)關(guān)損耗，也會(huì)在設(shè)備漏-源端引入高關(guān)斷電壓尖峰和振鈴。
控制關(guān)斷漏-源電壓尖峰和振鈴有兩種常見(jiàn)方法。一種是使用高柵極電阻（Rg）來(lái)降低器件開(kāi)關(guān)速度；另一種方法是利用低柵極電阻和漏-源RC緩沖器電路來(lái)抑制VDS尖峰及振鈴。一個(gè)常見(jiàn)的誤解是認(rèn)為使用緩沖器的效率很低；然而，對(duì)于如LLC諧振或相移全橋等經(jīng)常使用ZVS開(kāi)關(guān)技術(shù)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，采用緩沖器比高柵極電阻更為高效。在ZVS軟開(kāi)關(guān)應(yīng)用中，添加的漏-源緩沖電容不會(huì)產(chǎn)生任何開(kāi)通損耗。漏極與源極間額外的緩沖電容與低柵極電阻相結(jié)合，在互補(bǔ)續(xù)流器件關(guān)斷時(shí)的dv/dt轉(zhuǎn)換中提供了更高的位移電流。這進(jìn)一步減少了關(guān)斷電流和電壓之間的重疊；相較于僅使用高柵極電阻，可更大幅度降低關(guān)斷開(kāi)關(guān)損耗。通過(guò)這種方法，我們能夠在不犧牲器件開(kāi)關(guān)速度的情況下抑制VDS振鈴；而如果采納高柵極電阻的設(shè)計(jì)策略，則需要犧牲器件開(kāi)關(guān)速度。
圖3，E1B模塊在VDS = 800V、IDS = 100A時(shí)的關(guān)斷波形：（a）Qorvo UHB100SC12E1BC3-N（1,200V、100A E1B模塊），帶緩沖器（660pF、4.7Ω、Rgoff 2.2Ω）；（b）廠商A的1,200V 100A模塊，帶緩沖器（660pF、4.7Ω、Rgoff 2.2Ω），（c）廠商A的1,200V 100A模塊，不帶緩沖器（Rgoff 5Ω）
圖4，在VDS = 800V、IDS = 100A條件下，E1B模塊關(guān)斷開(kāi)關(guān)損耗的DPT測(cè)試結(jié)果：（a）廠商A的1,200V 100A模塊，帶緩沖器（660pF、4.7Ω、Rgoff 2.2Ω）和不帶緩沖器（Rgoff 5Ω）的對(duì)比；（b）Qorvo UHB100SC12E1BC3-N（1,200V、100A E1B模塊），帶緩沖器（660pF、4.7Ω、Rgoff 2.2Ω），和廠商A帶緩沖器模塊（660pF、4.7Ω、Rgoff 2.2Ω）的對(duì)比
一項(xiàng)以800V母線電壓和100A負(fù)載電流進(jìn)行的雙脈沖測(cè)試表明，為廠商A的SiC MOSFET模塊添加緩沖器后，損耗迅速降低了50%。而結(jié)合使用Qorvo基于JFET的器件與緩沖器，可使關(guān)斷開(kāi)關(guān)損耗進(jìn)一步降低74%。這使得開(kāi)關(guān)速率得以提高三倍，并推動(dòng)外部無(wú)源組件尺寸的減小。以圖5所示的50kW PSFB（相移全橋）仿真為例，關(guān)斷開(kāi)關(guān)損耗減少74%使得結(jié)溫相應(yīng)降低10%。最終，更佳的熱性能帶來(lái)更小的散熱片和冷卻結(jié)構(gòu)；兩者的結(jié)合，共同實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)換器體積的縮減。
圖5，50kW移相全橋FET損耗仿真；應(yīng)用條件：50kW、800V Vin、400V Vout、150kHz、死區(qū)時(shí)間150ns、散熱器溫度75°C
盡管軟開(kāi)關(guān)技術(shù)有諸多復(fù)雜性，但SiC技術(shù)為其優(yōu)化使用創(chuàng)造了機(jī)會(huì)。對(duì)于需要高效率和高密度的設(shè)計(jì)，則可以跳出基于MOSFET經(jīng)典結(jié)構(gòu)的束縛來(lái)實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)。
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