【导读】碳化硅（SiC）依附其优秀的质料特征，于办事器、工业电源等要害范畴掀起技能厘革海潮。本教程聚焦SiC特别是SiC JFET系列器件，从碳化硅怎样重构电源设计逻辑出发，剖析其于工业与办事器电源场景的运用价值。本文为第一部门，将重点先容碳化硅怎样改造电源设计、工业与办事器电源。
（一）碳化硅怎样改造电源设计
工业电源装备，素质上就像一座当地化的电力精辟厂。试想如许一个场景：假如原油经由过程管道直接运送给每一位终端用户，所有精辟工序都于用户端完成——那末消费者利用的燃油车辆、农用机械或者发机电（特别是备用电源）可否实现高性价比的机能，起首取决在每一个用户手中那套“微型精辟厂”可否高效地将原生原油转化为高辛烷值燃油。
这恰是现代电力供给的实际：电力以“原生”形态运送——犹如未经精辟的原油，体现为交流、不法则且不不变。不管是数据中央、通讯枢纽或者制造工场的开关装备，医疗机构的要害电力体系（EES），还有是出产汽车与可再生能源元器件工场所依靠的要害电力基础举措措施，其总体运行机能，都直接取决在用户侧电源接口处的电源转换体系。
（二）能源革命：工业与办事器电源
(1)电力厘革的范围
碳化硅（SiC）半导体之在现今电力电子财产，正如19世纪50年月亨利•贝塞麦（Henry Bessemer）炼钢法之在全世界铁路体系。钢铁制造的主动化与普和，使全世界运输效率晋升了数个数目级。如今，碳化硅正以一样弘大的范围鞭策多项技能革命：
•其导热机能至少是硅的三倍，凡是可达五倍
•其击穿电场强度约为硅的10倍，可于蒙受更高电压的同时显著晋升能效
•依附双倍的电子漂移速率，碳化硅器件可以或许实现极快的开关速率
所有这些特征配合为电源体系带来立竿见影的革命性上风：于满意现代直流运用所需的高电压（或者于某些环境下所需的低电压）需求时，充实阐扬高速、高效率开关的机能潜力。
(2)开关电源相较在线性电源的上风
所有这些工业运用都要求电源高效供电。然而，高效其实不总与简便划等号。线性模式电源转换器经由过程一种很是简朴的机制供电，有时仅需两个电容及两个电阻便可事情。
当半导体器件事情于线性模式（也称为“有源模式”）时——如图中右边“Active”区域所示——其输出电流ID重要经由过程输入电压VDS的巨细来节制。从这个角度看，该器件素质上相称在一个放年夜器，其输出波形能忠厚复现输入波形。
线性模式不合用在工业电力电子运用的重要缘故原由于在发烧问题。半导体器件未能转化为输出电压的那部门能量必需以热能情势耗散。器件温度越高，事情效率就越低。
而于开关模式下，晶体管孕育发生方波旌旗灯号，此时功率器件事情在图中左边的“ohimic”区。于不异电流程度下，其VDS电压显著降低，导通损耗是以年夜幅削减，从而显著晋升效率。这类模式也被称为“数字模式”，其波形反应了二进制开关的输出特征。
恰是这类方波旌旗灯号，经由功率因数校订（PFC）电路整形后，转化为电子元件可不变利用的电流与电压。现代开关模式电源中的PFC技能，不仅实现了高能效，还有确保了优秀的热不变性。
(3)宽禁带质料的上风
作为一种半导体质料，碳化硅（SiC）拥有备受器重的特征——宽禁带（wide bandgap）。半导体显然需要具有必然的导电能力，但抱负环境下，质料也应具有优良的自然绝缘特征。宽禁带质料（如SiC）具备一个较宽的能量区间，此中不存于电子态。这一特征使碳化硅比拟传统硅（Si）具有多项显著上风：
•更高的功率效率，特别是于开关历程中，能实现更快的开关速率及更低的损耗
•介电击穿场强高达Si的10倍，使SiC能蒙受更高电压而不被击穿，同时连结靠得住性
•卓着的情况耐热性，让SiC器件纵然于严苛情况中（如戈壁地域的超年夜范围数据中央）也能不变靠得住运行
•双倍电子漂移速率，为PWM节制带来更高的开关频率
•三倍导热系数，不仅较着优在硅，也逾越了GaN（氮化镓）质料，于散热机能上盘踞较着上风
于工业及办事器电源体系中，安森美（onsemi）已经依附其EliteSiC M3S MOSFET实现了电源效率的革命性冲破。该系列产物具有超低栅极电荷（QG），可年夜幅降低栅极驱动与开关损耗；其极低的导通电阻（RDS(on)）有用削减导通损耗；极低的反向恢复电荷（QRR），不仅按捺电压尖峰，还有最年夜限度地削减开关历程中的能量损耗（ERR）。今朝，EliteSiC MOSFET正助力电源制造商满意开放计较项目（Open Compute）针对于3000W AC-DC电源提出的开放式机架（Open Rack）严苛尺度。而SiC技能的改造之路，仍储藏着巨年夜的潜力等候开释。
(4)办事器电源需满意的靠得住供电要求
跟着天生式AI的年夜范围运用，对于办事器机架功率密度提出史无前例的要求——特别是于那些引领Open Rack尺度的超年夜范围数据中央中——下一代电源单位（PSU）与配电单位（PDU）需具有更高的靠得住性，更快的开关速率以和更优秀的导热机能。安森美SiC Cascode JFET（CJFET）运用在当前最高效的功率整流技能（如图腾柱PFC，TPPFC），可于不捐躯效率的条件下，实现更高的功率密度、更卓着的机能，并进一步降低功耗。
开放计较项目（Open Compute Project, OCP）制订了面向数据中央办事器、机架和功率器件的国际尺度，此中包括合用在年夜范围及超年夜范围数据中央办事器机架的Open Rack尺度。要得到OCP的钛金（Titanium）80PLUS认证，一款额定功率为3.3kW、输入电压为230VAC的电源必需于50%负载前提下连续实现96%的电源效率。
上图展示的是一个基在安森美1.5kW评估板举行测试的图腾柱功率因数校订（TPPFC）电路，此中采用了安森美SiC CJFET，并事情在持续导通模式（CCM）。该电路设计完全消弭了所有二极管导通损耗，包括输入整流桥二极管及PFC二极管损耗。
凡是，SiC MOSFET需要正负栅极驱动，总栅极电压摆幅需要到达20V至25V，这会使栅极电压靠近其建议的最年夜额定值，从而需要越发存眷栅极电荷损耗。而安森美CJFET中的MOSFET部门，其栅极电压摆幅约为12V，更近似在超等结MOSFET。患上益在CJFET所实现的优秀开关损耗恢复能力，使患上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晋升潜力
太阳能收罗的能量为直流电（DC），但要与家庭、办公室和其他修建中现有的交流配电体系兼容，必需将其“逆变”——即从直流电转换为交流电（AC）。云云一来，台式电脑等装备的电源才能像寻常同样，将输入的交流电再次整流为直流电以供利用。
逆变器的焦点功效是将直流电压旌旗灯号转换为纯净的单订交流正弦波。初期方案采用两电平逆变技能，经由过程于+VDC与-VDC两个直流电平之间阶梯式切换，大略迫近正弦波形。随后，该技能演进为三电平架构，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。只管布局更繁杂，但三电平方案显著晋升了输出波形质量与体系不变性，是以今朝已经成为行业主流。
然而，跟着碳化硅（SiC）质料的引入，如今已经可制造最高事情电压跨越2000V的太阳能逆变器件。瞻望将来，基在安森美碳化硅工艺，由CJFET驱动的新型逆变器有望年夜范围运用。这种器件将使两电平太阳能逆变重视新焕发活气——于年夜幅简化电路布局、降低设计繁杂度与制造成本的同时，仍能实现与当前三电平逆变器相称的开关速率及功率转换效率。
(6)工程技能怎样保障工业电力靠得住性
所有依靠连续不变清洁电能的企业与行业，城市最年夜限度地采用工业级不间断电源（UPS）。平凡用电者也许难以察觉，但对于在工程师而言这是基本知识：于线式UPS先将输入的交流电转换为直流电，使用直流电为蓄电池储能体系充电，随后再将直流电逆变为交流电，供那些自身配备自力电源（带交直流转换器）的器件及装备利用。
工业级UPS的方针是输出一个波形纯净、不变的交流正弦波。为实现这一方针，需履历被称为“混淆模式”的事情阶段——于此历程中，输入的交流电起首经由过程功率因数校订（PFC）转换为直流电。上图展示的恰是于DC-AC转换以前，输入的三相电源履历的两重PFC转换历程。混淆模式即指中间的DC-DC变换环节，该环节对于转换效率要求极其严苛，缘故原由不仅于在它负担着为电池充电的使命，更要害的是：电池充电电流与终极输出的交流电于此阶段是叠加的，整个体系必需可以或许同时蒙受这两路电流。
如今，安森美经由过程采用靠得住的SiC MOSFET功率集成模块（PIM），为工业UPS市场提供解决方案。瞻望不久的未来，其EliteSiC共源共栅型JFET（Cascode JFET）正蓄势待发，以满意工业主动化、AI数据中央及加密计较等新兴范畴不停演进的电力需求。这些器件具有业界领先的开关速率，并拥有当前市场上极低的单元面积导通电阻RDS（A）。经由过程简化上述电路架构，安森美的CJFET有望显著削减元器件数目，缩小体积并降低体系总体成本。
未完待续。后续将涵盖：三种替换Si及SiC MOSFET的方案、开关电源进阶运用等出色内容。
