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使用老式的矽 MOSFET 增加功率密度

Vicor 何時采用 WBG MOSFET?

Mosfet image

作者:Phil Davies,公司全球銷售及市場營銷業務副總裁

1984 年,我有幸與尊敬的 Rudy Severns 一起環遊了歐洲,為 Siliconix 傳授新技術。我是一名年輕的應用工程師,當時的新技術是矽功率 MOSFET。工程師那時在他們的開關電源中使用雙極晶體管,Rudy 在他的「先進功率 MOSFET 研討會」上指出了矽 (Si) MOSFET 的許多優點,它可提高開關頻率並降低功耗。Rudy 討論了如何正確使用和應用它們,以及在切換電感負載時如何處理各種 dV/dt 故障模式。

那是 37 年前的事了。快進到 2021 年:我們也遇到了類似的情況,多家初創型公司和大型電源半導體公司推出了新的寬帶隙 (WBG) 氮化鎵 (GaN) 和碳化矽 (SiC) 化合物半導體開關,以淘汰矽 MOSFET,因為它們可通過更低的 R(DS)ON 提供更高的開關頻率、更低的損耗和更高的擊穿電壓。由於電氣化的發展以及數據中心逐步采用基於 GPU 的人工智能 (AI) 應用,汽車電源的顯著增加,為新型 WBG MOSFET 創造了機遇。在這些市場上,電源系統的占用面積、效率和重量將對終端系統的性能和價值產生巨大影響,這進一步提高了電源系統設計的重要性。即使一些電源設計工程師開始采用 WBG MOSFET,先進的拓撲和電源架構仍可通過矽芯片組件實現更高的效率和功率密度。

新一代電源挑戰

電源系統設計工程師不斷面臨的挑戰是設計空間占用極少、重量最輕、效率最高而且熱管理優化的供電網路 (PDN)。在這些領域力求實現最好的規格,可定義能夠帶來主要競爭優勢的領先產品。

例如電動汽車的電池續航時間(裏程)和快速充電規格,或者 AI 超級計算機的速度和機架功率密度。這些都是極具競爭力的性能規格,必須在提供 50kW 到 150kW 功率的同時實現。因此,傳統電源轉換器、穩壓器及其矽芯片組件很難滿足 PDN 尺寸和重量的關鍵性能規格。

電源系統設計人員的困境

每位系統設計人員都會在啟動新項目時問一些基本問題:上一個項目成功了,這次我是否需要改變我的設計?我可否使用相同的設計、組件以及我很熟悉並建立了多年信任的供應商?我能否稍微修改一下設計,還是說新規格要求對其進行徹底修改?使用我知道的操作方式,性能提升是否夠,或者說我是否需要開發一款新的架構、拓撲或控製系統?我可以承擔多大的風險?我的團隊是否願意承擔風險,以換取獲得更高性能,或是重要的競爭優勢?

Vicor 電源模組設計人員一樣,他們也會問同樣的問題,以便讓電源模組的密度、效率及靈活性性能保持領先地位。

使用高壓最大限度減少妥協和折中

解決供電難題的一種方法是使用更高的電壓。因為功率項和功耗都是基於電壓值和電流的平方(P = IV 和I2R)。使用更高電壓,可顯著降低線纜和連接器中的 PDN 電流量和配電損耗。這一優勢不僅讓數據中心機架和輕度混合動力汽車的配電從 12V 變成了 48V,而且還讓電動汽車的電池電源變成了 400V、800V 和 1200V。使用高頻率開關拓撲來縮小電源轉換器和穩壓器的占用面積,可在 PDN 尺寸和重量方面實現更多優勢。

這些挑戰和巨大的新興市場機遇帶來了 WBG MOSFET 的發展和現在的廣泛使用,其具有高壓功能、更快的開關速度、更高的溫度範圍,更低的傳導電阻以及最小功耗,從而提高效率。對於許多 DC-DC 電源及電源系統的供應商而言,這些屬性對於實現所需的功率密度至關重要。

對於大功率高壓分立式 DC-DC 轉換器設計而言,WBG MOSFET 明顯優於矽 MOSFET,但在 Vicor,電源系統設計的模組化電源方法以及獨特的專有架構、拓撲、控製系統及電源封裝則有助於矽 MOSFET 的長期使用。在過去的 40 多年中,Vicor 一直在以更高的頻率對更高的電壓進行轉換和穩壓,這種不斷的創新提高了功率密度和效率。上世紀 80 年代初,Vicor 創始人兼首席執行官 Patrizio Vinciarelli 開發了一款新拓撲,這是一款支持有源箝位的準諧振正激轉換器, 他是 2019 年 IEEE Willian E. Newell 電力電子產品獎獲得者,表彰他為電源電子產品做出的傑出貢獻,。這種拓撲使用基於頻率調製的、支持零電流開關 (ZCS) 的控製系統切換高達 1MHz 的頻率,隨後磚型解決方案就誕生了(圖 1)。

Brick and QR technology diagram

圖 1:磚型封裝成為 90 年代的行業標準封裝。Vicor 磚型 DC-DC 轉變器采用準諧振正激轉換器拓撲和矽 MOSFET,根據輸入電壓範圍和輸出電壓,實現 120W/in3 的功率密度和高達 89% 的效率。

因此,轉向陰暗面(銷售和市場營銷)並忘記我所有的工程培訓時,我請教了高級應用工程師 Tom Curatolo,他在 Vicor 工作了 30 多年,請他講解了一些磚型拓撲和控製系統的優勢。這是他告訴我的。

磚型解決方案采用矽 MOSFET,充分利用高頻率開關以及采用固定通導時間在零電流下讓主開關轉換同步的功能,顯著降低了開關損耗。

另一種硬開關拓撲可使用更高的開關頻率來抵消系統的功率損耗。此外,實現高效率還需要同步整流並整合多相功能。較低頻率的開關需要使用更大的無源器件,這需要在 MOSFET 基於可變通導時間的更長開關周期間,將功率保持更長時間。

另一個問題是,在主開關轉換期間,帶斬波電流的較低開關頻率會導致高諧波失真以及需要濾波的輸出紋波。這通常需要添加更大的輸入濾波器,從而會增加尺寸和重量。

謝謝你,Tom!權衡的結果就是,基於硬開關 PWM 拓撲的電源系統依賴於矽 MOSFET 功率開關的進步來提高功率密度和性能。由於功率 MOSFET 開始了其改進品質因數 (FOM) 以及降低裸片尺寸與 R(DS)ON 及漏源擊穿電壓 (BVDSS)(將其降低到了上世紀 80 年代做夢也想不到的水平)的旅程,因此所有拓撲充分利用這些電源開關改進的優勢縮減了電源系統的尺寸和重量。

今天,許多硬開關拓撲正在轉向 WBG 材料,如 SiC 和 GaN 功率 MOSFET,以進一步提高功率密度和效率,特別是高壓大功率系統。

然而,矽功率 MOSFET 在 Vicor 發明的諧振轉換器拓撲中仍然很強大,最為著名的是支持 ZVS 和 ZCS 控製系統的正弦振幅轉換器 (SAC™) 拓撲。一個可實現的密度和效率的明顯示例是 Vicor NBM6123,這是一款非隔離的雙向 800 — 400V 固定比率轉換器,它使用 SAC 拓撲和矽 MOSFET,實現了業界領先的規格,效率 99%,功率密度 10kW/in3 的(圖 2)。

因此,轉向陰暗面(銷售和市場營銷)並忘記我所有的工程培訓時,我請教了高級應用工程師 Tom Curatolo,他在 Vicor 工作了 30 多年,請他講解了一些磚型拓撲和控製系統的優勢。這是他告訴我的。

磚型解決方案采用矽 MOSFET,充分利用高頻率開關以及采用固定通導時間在零電流下讓主開關轉換同步的功能,顯著降低了開關損耗。

另一種硬開關拓撲可使用更高的開關頻率來抵消系統的功率損耗。此外,實現高效率還需要同步整流並整合多相功能。較低頻率的開關需要使用更大的無源器件,這需要在 MOSFET 基於可變通導時間的更長開關周期間,將功率保持更長時間。

另一個問題是,在主開關轉換期間,帶斬波電流的較低開關頻率會導致高諧波失真以及需要濾波的輸出紋波。這通常需要添加更大的輸入濾波器,從而會增加尺寸和重量。

謝謝你,Tom!權衡的結果就是,基於硬開關 PWM 拓撲的電源系統依賴於矽 MOSFET 功率開關的進步來提高功率密度和性能。由於功率 MOSFET 開始了其改進品質因數 (FOM) 以及降低裸片尺寸與 R(DS)ON 及漏源擊穿電壓 (BVDSS)(將其降低到了上世紀 80 年代做夢也想不到的水平)的旅程,因此所有拓撲充分利用這些電源開關改進的優勢縮減了電源系統的尺寸和重量。

今天,許多硬開關拓撲正在轉向 WBG 材料,如 SiC 和 GaN 功率 MOSFET,以進一步提高功率密度和效率,特別是高壓大功率系統。

然而,矽功率 MOSFET 在 Vicor 發明的諧振轉換器拓撲中仍然很強大,最為著名的是支持 ZVS 和 ZCS 控製系統的正弦振幅轉換器 (SAC™) 拓撲。一個可實現的密度和效率的明顯示例是 Vicor NBM6123,這是一款非隔離的雙向 800 — 400V 固定比率轉換器,它使用 SAC 拓撲和矽 MOSFET,實現了業界領先的規格,效率 99%,功率密度 10kW/in3 的(圖 2)。

NBM SAC block diagram

圖 2:NBM6123 是一款雙向 800 — 400V 固定比率轉換器,使用非隔離版本的 SAC 拓撲和矽 MOSFET,以 99% 的效率實現了 10kW/in3 的功率密度。

經常問及的問題:Vicor 何時采用 WBG MOSFET?答案很簡單:當優點足以證明改變是合理的時候。在此之前,矽功率 MOSFET 將在高性能電源模組中長期使用,至少在 Vicor 是這樣的。在 Rudy Severns 第一次倡導用矽功率 MOSFET 取代雙極晶體管時,我們都知道,有一天,也會有一種新技術取代矽功率 MOSFET。但我們沒想到矽 MOSFET 能夠持續使用近 40 年。Vicor 技術也將把 WBG MOSFET 推向效率和功率密度的新高。但在此之前,久經考驗的矽功率 MOSFET 在高性能電源模組中將繼續使用…至少在 Vicor 是這樣。

本文最初由 IEEE Power Electronics 發佈。

Davies 先生自 2011 年 2 月份起,一直擔任我們公司全球銷售及市場營銷副總裁。在加入公司之前,Davies 先生於 2010 年 9 月至 2011 年 2 月,在 OSRAM Sylvania 的固態光引擎業務部擔任業務創新團隊負責人。Davies 先生在 Analog Devices 公司擔任過多個職務,最後曾擔任全球業務開發總監,Analog Devices 公司是一家高性能模擬、混合信號及數字信號處理集成電路製造商。Davies 先生畢業於格拉摩根大學 (the University of Glamorgan),獲電源電子學士學位和碩士學位。

Phil Davies

Phil Davies,公司全球銷售與市場營銷業務副總裁

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