隨著數(shù)據(jù)中心、電動(dòng)汽車 (EV)、儲(chǔ)能系統(tǒng) (ESS)、不間斷電源 (UPS) 和便攜式電源市場需求的不斷增加，對(duì)于更高效率電源解決方案的要求也在不斷提高。
 

由美國聯(lián)邦政府支持的能源之星ENERGY STAR? 計(jì)劃，提供一種簡單而公正的方法來評(píng)估多種電氣產(chǎn)品的能效，包括計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)中心設(shè)備、電器、辦公設(shè)備、供暖和制冷以及許多建筑產(chǎn)品。多家《財(cái)富》500 強(qiáng)公司遵循美國環(huán)境保護(hù)署 (EPA) 的準(zhǔn)則生產(chǎn)高能效產(chǎn)品，以改善環(huán)境，包括空氣質(zhì)量等。據(jù)估計(jì)，僅 2017 年一年，經(jīng)能源之星 ENERGY STAR 認(rèn)證的產(chǎn)品就節(jié)約了超過 300 億美元。

與此同時(shí)，最初的 80 PLUS? 計(jì)劃促進(jìn)了計(jì)算機(jī)電源實(shí)現(xiàn)至少 80% 的效率。那么，低效率的電源又會(huì)帶來什么呢？浪費(fèi)的能量將轉(zhuǎn)化為熱量。為了滿足數(shù)量不斷增長的數(shù)據(jù)中心的需求，繼80 PLUS之后又推出了 80 PLUS Titanium標(biāo)準(zhǔn)，要求電源實(shí)現(xiàn)高達(dá) 96% 的效率。由于其高效率要求，80 PLUS Titanium標(biāo)準(zhǔn)成為該計(jì)劃最難獲得認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)。
 

許多電源制造商快速推進(jìn)，以期滿足這些要求，從而保持競爭力。要實(shí)現(xiàn)提高效率、減少開關(guān)損耗并縮小整體尺寸的目標(biāo)，則需要攻克很多設(shè)計(jì)難題。
 

設(shè)計(jì)需要進(jìn)行哪些權(quán)衡，如何實(shí)現(xiàn)優(yōu)化？
 

設(shè)計(jì)在400V 范圍內(nèi)高效率AC/DC電源的目標(biāo)包括：

       滿足能源標(biāo)準(zhǔn)的明確途徑

       實(shí)現(xiàn)緊湊尺寸

       降低總體成本

       實(shí)現(xiàn)高效熱管理

       盡可能降低電磁干擾
 

這些高大上的目標(biāo)說起來容易做起來難。而若要滿足能源之星 ENERGY STAR 和 80 PLUS Titanium 等能源標(biāo)準(zhǔn)，則更具挑戰(zhàn)性。
 

沒有可達(dá)到 100% 效率的電源設(shè)計(jì)。如今，大多數(shù)開關(guān)電源可實(shí)現(xiàn)約 94% 至 95% 的效率，剩下的 5% 則轉(zhuǎn)化為熱量形式的損耗。據(jù)估計(jì)，效率提高 1% 等于散熱減少 10%。這意味著高效率電源將只需要較小的散熱器和較小的組件，例如電磁線圈和電容器。因此整體產(chǎn)品尺寸也將更小。更重要的是，總系統(tǒng)成本也會(huì)降低。那么，制造商們該如何突破效率屏障呢？
 

Wolfspeed 先前推出了第六代肖特基二極管，實(shí)現(xiàn)更高水平的系統(tǒng)效率，從而確立了其在 650V 碳化硅 (SiC) 領(lǐng)域的技術(shù)領(lǐng)先地位。Wolfspeed 這次推出了第三代 15-mΩ 和 60-mΩ（25°C 條件下的導(dǎo)通電阻RDS(on)）650V MOSFET 以繼續(xù)保持領(lǐng)先地位。新款產(chǎn)品進(jìn)一步利用了碳化硅的優(yōu)勢，可降低開關(guān)損耗，提高功率效率和功率密度。
 

新款器件 C3M0015065D、C3M0015065K、C3M0060065D、C3M0060065J 和 C3M0060065K 符合在–40°C 至 175°C 溫度范圍內(nèi)運(yùn)行的要求，并提供通孔型（TO-247-3、TO-247-4）和表面貼裝（TO-263-7）封裝。

降低損耗的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是低導(dǎo)通電阻。電阻越高，則導(dǎo)通損耗和以熱量形式的能量浪費(fèi)就會(huì)越多。Wolfspeed 新型 MOSFET 采用分立封裝，在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)，提供業(yè)內(nèi)最低的導(dǎo)通電阻。其中 60-mΩ MOSFET 的額定 RDS(on) 在 175°C 時(shí)僅為 79 mΩ，可實(shí)現(xiàn)99%功率效率。
 

新款器件同時(shí)擁有超低反向恢復(fù)電荷 (Qrr)，其中60-mΩ MOSFET 的反向恢復(fù)電荷 (Qrr) 僅為 62 nC。與采用硅基的硬開關(guān)應(yīng)用相比，將顯著降低開關(guān)損耗。這又將實(shí)現(xiàn)更高的開關(guān)頻率，從而減小系統(tǒng)中的變壓器、電感器、電容器和其他被動(dòng)元件的尺寸和重量。
 

為了減少寄生電容增加開關(guān)頻率也會(huì)增加開關(guān)損耗的擔(dān)憂，Wolfspeed 實(shí)現(xiàn)了低很多的器件寄生電容，其中 60-mΩ 型號(hào)的小信號(hào)輸出電容 Coss 僅為 80 pF，而 15-mΩ 型號(hào)的僅為 289 pF。
 

效率的提升，將如何影響電源單元 PSU 的電路設(shè)計(jì)和物料清單 BOM 成本：

       更有效的熱管理將可以帶來更小尺寸的散熱器，從而減小電源單元 PSU 的重量和尺寸。

       可以采用更小尺寸和更少數(shù)量的元件，從而降低電源單元 PSU 的物料清單 BOM 成本。

       高功率效率助力滿足電源單元 PSU 的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（能源之星 ENERGY STAR 和 80 PLUS Titanium）。

       降低整個(gè)電源單元 PSU 的系統(tǒng)成本，更輕松地實(shí)現(xiàn)利潤目標(biāo)。

更高的功率效率將如何減少所使用元件的尺寸和數(shù)量。較高的頻率值等于 L 和 C 的較小值，即較小的電磁線圈和電容器。更高的功率效率（近 99%）有助于電源單元 PSU 達(dá)到 80 PLUS Titanium標(biāo)準(zhǔn)的要求，從而使得整個(gè)數(shù)據(jù)中心的總體擁有成本更低。
 

與業(yè)內(nèi) 650V 硅基 MOSFET 相比，Wolfspeed 可使得導(dǎo)通損耗降低達(dá) 50%，開關(guān)損耗降低達(dá) 75%，并且體二極管中的反向恢復(fù)電荷幾乎為零。
 

與硅基氮化鎵 (GaN) 高電子遷移率晶體管 (HEMT) 相比，Wolfspeed 可以降低50%以上導(dǎo)通損耗，并且碳化硅 MOSFET 技術(shù)具有更高的現(xiàn)場驗(yàn)證可靠性。
 

最后，與其他碳化硅 (SiC) MOSFET 解決方案相比，Wolfspeed 在 650V 碳化硅 (SiC) MOSFET 類別中具有業(yè)內(nèi)最低的導(dǎo)通電阻，并且在溫度范圍內(nèi)的導(dǎo)通電阻變化最小，從而進(jìn)一步簡化了系統(tǒng)的熱管理。
 

Wolfspeed 為器件產(chǎn)品提供廣泛的支持，其中包括參考設(shè)計(jì)。新款 MOSFET 也不例外。對(duì)于上面所討論的數(shù)據(jù)中心服務(wù)器電源應(yīng)用，公司的全球應(yīng)用工程團(tuán)隊(duì)開發(fā)了 2.2 kW AC/DC PFC參考設(shè)計(jì)，在圖騰柱拓?fù)渲胁捎肅3M0060065K 60mW MOSFET。而這是硅基方案在不權(quán)衡妥協(xié)其復(fù)雜性和元件數(shù)量的前提下所無法實(shí)現(xiàn)的。
 

了解 Wolfspeed 最新 SiC MOSFET 產(chǎn)品信息，敬請瀏覽：

www.wolfspeed.com/power/products/sic-mosfets
 

了解 Wolfspeed 更多功率產(chǎn)品參考設(shè)計(jì)，敬請瀏覽：

www.wolfspeed.com/power/products/reference-designs
 

關(guān)于英文原稿，敬請瀏覽：

www.wolfspeed.com/knowledge-center/article/breaking-the-power-supply-efficiency-barrier
 

科銳是Wolfspeed功率和射頻（RF）半導(dǎo)體、照明級(jí)LED的創(chuàng)新者?？其JWolfspeed產(chǎn)品組合包括了碳化硅（SiC）材料、功率器件、射頻器件，廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車（EV）、快速充電、逆變器、電源、電信、軍事、航空航天等領(lǐng)域?？其JLED產(chǎn)品組合包括了藍(lán)光和綠光LED芯片、高亮度LED和照明級(jí)大功率LED，廣泛應(yīng)用于室內(nèi)和戶外照明、顯示屏、交通、特種照明等領(lǐng)域。更多關(guān)于產(chǎn)品和公司信息，敬請瀏覽：www.cree.com。