任何電子產(chǎn)品都離不開(kāi)電源，隨著各個(gè)國(guó)家和地區(qū)能源標(biāo)準(zhǔn)的提升和用戶(hù)環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，對(duì)電源效率的要求越來(lái)越高。產(chǎn)業(yè)鏈內(nèi)的公司和工程師們?yōu)榱颂嵘娫葱剩瑴p少能源浪費(fèi)也是較勁了腦汁。

最近，英飛凌分享了一個(gè)可以讓電源的整體系統(tǒng)效率提升至98%的案例，引起了<電子發(fā)燒友>的注意。據(jù)英飛凌電源管理及多元化市場(chǎng)事業(yè)部大中華區(qū)開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用高級(jí)市場(chǎng)經(jīng)理陳清源介紹說(shuō)，目前在大型數(shù)據(jù)中心，標(biāo)準(zhǔn)的功率密度大概是平均每個(gè)機(jī)架3kW，而且現(xiàn)在系統(tǒng)廠商普遍要求，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定度的前提下，整體系統(tǒng)的效率要超過(guò)96%，越高越高。因?yàn)閿?shù)據(jù)中心散熱也是一筆不小的開(kāi)支，而效率的提升可以降低散熱的成本。

圖1：英飛凌3300W圖騰柱PFC電源演示板。（來(lái)源：英飛凌）

英飛凌這個(gè)針對(duì)數(shù)據(jù)中心的電源解決方案實(shí)現(xiàn)了98%的整體系統(tǒng)效率，陳清源表示，這主要是因?yàn)槭褂昧擞w凌新近推出的650V CoolSiC MOSFET和專(zhuān)用的單通道和雙通道電氣隔離EiceDRIVE柵極驅(qū)動(dòng)電路IC。

圖2：英飛凌電源管理及多元化市場(chǎng)事業(yè)部大中華區(qū)開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用高級(jí)市場(chǎng)經(jīng)理陳清源。

具體的方案框架如圖3所示，上圖采用的是PFC圖騰柱，LLC是一個(gè)軟開(kāi)關(guān)。圖騰柱部分使用的是SiC。如果只需要滿(mǎn)足96%的效率，在LLC上可以選用硅芯片，這樣成本可以做到最優(yōu)。由于PFC的效率可以達(dá)到99%，使用了硅基芯片的LLC的效率可以達(dá)到97%，整體效率能夠滿(mǎn)足96%的需求。

而如果將LLC也換成SiC器件的話(huà)，它的效率也可以達(dá)到99%，這樣整個(gè)系統(tǒng)的效率就會(huì)達(dá)到98%。

圖3：英飛凌的高效率電源解決方案。（來(lái)源：英飛凌）

陳清源承認(rèn)，98%是一個(gè)比較極限的值，要想達(dá)到這個(gè)效率，需要使用到650V CoolSiC MOSFET和與之配套的EiceDRIVE柵極驅(qū)動(dòng)電路IC，如果使用其他杉機(jī)驅(qū)動(dòng)IC，可能系統(tǒng)效率就達(dá)不到98%了。

為何英飛凌的這兩顆芯片可以做到？

陳清源解釋說(shuō)，這是因?yàn)樘蓟璧尿?qū)動(dòng)方式與傳統(tǒng)硅器件的驅(qū)動(dòng)方式是不一樣的，而EiceDRIVE柵極驅(qū)動(dòng)電路IC是專(zhuān)門(mén)針對(duì)英飛凌碳化硅器件而設(shè)計(jì)的，搭配使用可以達(dá)到更好的效果，更高的穩(wěn)定度。

650V CoolSiC MOSFET是英飛凌在今年2月份推出的碳化硅系列產(chǎn)品，該系列目前有8個(gè)不同的產(chǎn)品，采用兩種插件TO-247封裝：一種是典型的TO-247 3引腳封裝，另一種是支持開(kāi)關(guān)損耗更低的TO-247 4引腳封裝。

圖4：英飛凌650V CoolSiC MOSFET。

新發(fā)布的這8個(gè)產(chǎn)品主要針對(duì)工業(yè)電源、光伏、充電樁、不間斷電源系統(tǒng)、以及能源儲(chǔ)存等應(yīng)用場(chǎng)景。不過(guò)，陳清源指出，未來(lái)英飛凌陸續(xù)會(huì)推出更多的封裝來(lái)應(yīng)對(duì)不同的市場(chǎng)應(yīng)用，他預(yù)計(jì)會(huì)推出50個(gè)以上的產(chǎn)品。

他同時(shí)強(qiáng)調(diào)，英飛凌在碳化硅產(chǎn)品的可靠性方面做了很多工作，比如增加堅(jiān)固耐用度；優(yōu)化在柵極氧化層的可靠度；為了防止誤導(dǎo)通，VGS重新設(shè)計(jì)在大于4V上；在一些特殊的拓?fù)洌鏑CM圖騰柱的拓?fù)浼尤肓擞矒Q相的體二極管等等。

在易用性方面，放寬了VGS的電壓范圍，在0V電壓可以關(guān)斷VGS，不需要跟氮化鎵一樣做一個(gè)負(fù)電壓。

圖5：溝槽式與平面式MOSFET的可靠性和性能對(duì)比。（來(lái)源：英飛凌）

在陳清源看來(lái)，柵極氧化層是設(shè)計(jì)上的一大難點(diǎn)，因?yàn)樗鼤?huì)影響產(chǎn)品的可靠度。

目前在碳化硅的工藝上面、前端的工藝，主要有兩個(gè)主流：一個(gè)是平面式，一個(gè)是溝槽式，英飛凌采取的是溝槽式，“因?yàn)槲覀儨喜凼降慕?jīng)驗(yàn)來(lái)自于CoolMOS這十幾二十年的工作經(jīng)驗(yàn)，我們得到了很多的專(zhuān)業(yè)技術(shù)。也就是我們?cè)谟脺喜凼降脑O(shè)計(jì)可以達(dá)到性能的要求，而不會(huì)偏離它的可靠度。就以碳化硅MOS為例，可能在同樣的可靠度上面，碳化硅溝槽式的設(shè)計(jì)會(huì)遠(yuǎn)比平面式的碳化硅MOS擁有更高的性能。”他表示。

圖6：Qrr和Qoss。

對(duì)于硬換向的拓?fù)洌?Qrr和Qoss是兩個(gè)很重要的參數(shù)。英飛凌的CoolMOS一個(gè)系列有快速二極管在里面。但是事實(shí)上這個(gè)系列是為了硬換向的拓?fù)洌辛颂蓟柚螅@個(gè)碳化硅因?yàn)槲锢硖匦浴a(chǎn)品的特性，事實(shí)上它在的Qrr是遠(yuǎn)低于硅器件的體二極管。

再看Qoss，事實(shí)上這個(gè)參數(shù)也更低。所以說(shuō)這個(gè)部分很適合在硬換向的拓?fù)淇梢赃_(dá)到更高的效率、更好的設(shè)計(jì)。當(dāng)然其它競(jìng)品、其它供應(yīng)商，他們也有碳化硅和MOSFET，他們也會(huì)涉及到這兩個(gè)參數(shù)RDS(on)*Qrr， RDS(on)*Qoss。從各個(gè)供應(yīng)商來(lái)看，“事實(shí)上它的參數(shù)的值都比英飛凌要高，表示這個(gè)技術(shù)上面我們還是取得不錯(cuò)的領(lǐng)先跟主導(dǎo)。甚至有一些供應(yīng)商，它有一些參數(shù)是不標(biāo)的，RDS(on)*Qrr 、 RDS(on)*Qoss是不標(biāo)的，不標(biāo)對(duì)工程師在設(shè)計(jì)上造成蠻大的困難，我們也跟業(yè)界的領(lǐng)導(dǎo)廠商也有很多討論，他們也針對(duì)這些參數(shù)也跟我們討論了很多。他們也很感謝，說(shuō)英飛凌把整個(gè)規(guī)格書(shū)寫(xiě)的很清楚。我們有控制、有規(guī)范。”陳清源自豪地表示。

他還舉了一個(gè)實(shí)例來(lái)說(shuō)明碳化硅器件的好處。使用了碳化硅的圖騰柱PFC設(shè)計(jì)可以得到很高的效率。

圖7：英飛凌的圖騰柱PFC解決方案。

“剛剛我提到我們有四個(gè)RDS(on)，這邊我們挑了48 mΩ、72 mΩ、107 mΩ在這個(gè)圖騰柱的設(shè)計(jì)，搭配英飛凌CFD7的一個(gè)S7系列，在圖騰柱拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)。我們用了48 mΩ，事實(shí)上它的效率可以在PFC達(dá)到 99%。”陳清源表示。

在以前，以硅的技術(shù)，事實(shí)上是很不容易做到。不能說(shuō)：“不可能做到。”但是是很不容易做到，有這個(gè)好的器件事實(shí)上讓工程師節(jié)省了很多的精力。

而配合英飛凌的驅(qū)動(dòng)IC，事實(shí)上可以讓整個(gè)性能更加的優(yōu)化，以及說(shuō)它設(shè)計(jì)的穩(wěn)定度更好。當(dāng)然如果有的客戶(hù)基于成本的考量，他不需要到99%，到97%、96%就可以了，“至少我們還有其它的選項(xiàng)，像72 mΩ、107 mΩ，事實(shí)上它的效率在重載的時(shí)候效率就比較低了，因?yàn)樗膶?dǎo)通靜態(tài)程式就比較多。”

“這是一個(gè)很好的例子，就是說(shuō)，以前做不到的，還是以前很不容易做到的，借由器件的優(yōu)化、器件的突破，可以做到一個(gè)99%，接近零耗損的一個(gè)PFC。”陳清源說(shuō)。

碳化硅市場(chǎng)的機(jī)遇

根據(jù)今年IHS的預(yù)估，今年碳化硅市場(chǎng)會(huì)有近5000萬(wàn)美元的市場(chǎng)份額。再往后到2028年，市場(chǎng)份額會(huì)達(dá)到1億6000萬(wàn)美元。目前，碳化硅主要應(yīng)用是電源供應(yīng)器、不間斷電源、電動(dòng)汽車(chē)充電、馬達(dá)驅(qū)動(dòng)還有光伏跟儲(chǔ)能的部分。其中，最大的部分來(lái)自電源。

圖8：650V SiC MOSFET的市場(chǎng)和應(yīng)用。

更為重要的是，碳化硅市場(chǎng)的年復(fù)合增長(zhǎng)率是16%，這個(gè)數(shù)字相當(dāng)有吸引力，從而吸引了很多競(jìng)爭(zhēng)者進(jìn)入這個(gè)市場(chǎng)。