碳化硅（SiC）憑借其優(yōu)異的材料特性，在服務(wù)器、工業(yè)電源等關(guān)鍵領(lǐng)域掀起技術(shù)變革浪潮。本教程聚焦 SiC 尤其是 SiC JFET 系列器件，從碳化硅如何重構(gòu)電源設(shè)計(jì)邏輯出發(fā)，剖析其在工業(yè)與服務(wù)器電源場(chǎng)景的應(yīng)用價(jià)值。本文為第一部分，將重點(diǎn)介紹碳化硅如何革新電源設(shè)計(jì)、工業(yè)與服務(wù)器電源。

碳化硅如何革新電源設(shè)計(jì)

工業(yè)電源設(shè)備，本質(zhì)上就像一座本地化的電力精煉廠。試想這樣一個(gè)場(chǎng)景：如果原油通過(guò)管道直接輸送給每位終端用戶，所有精煉工序都在用戶端完成——那么消費(fèi)者使用的燃油車輛、農(nóng)用機(jī)械或發(fā)電機(jī)（尤其是備用電源）能否實(shí)現(xiàn)高性價(jià)比的性能，首先取決于每個(gè)用戶手中那套"微型精煉廠"能否高效地將原生原油轉(zhuǎn)化為高辛烷值燃油。

這正是現(xiàn)代電力供應(yīng)的現(xiàn)實(shí)：電力以“原生”形態(tài)輸送——如同未經(jīng)精煉的原油，表現(xiàn)為交流、不規(guī)則且不穩(wěn)定。無(wú)論是數(shù)據(jù)中心、通信樞紐或制造工廠的開關(guān)設(shè)備，醫(yī)療機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵電力系統(tǒng)（EES），還是生產(chǎn)汽車與可再生能源元器件工廠所依賴的關(guān)鍵電力基礎(chǔ)設(shè)施，其整體運(yùn)行性能，都直接取決于用戶側(cè)電源接口處的電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。

能源革命：工業(yè)與服務(wù)器電源

電力變革的規(guī)模

碳化硅（SiC）半導(dǎo)體之于當(dāng)今電力電子產(chǎn)業(yè)，正如19世紀(jì)50年代亨利·貝塞麥（Henry Bessemer）煉鋼法之于全球鐵路系統(tǒng)。鋼鐵制造的自動(dòng)化與普及，使全球運(yùn)輸效率提升了數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)。如今，碳化硅正以同樣宏大的規(guī)模推動(dòng)多項(xiàng)技術(shù)革命：

其導(dǎo)熱性能至少是硅的三倍，通?？蛇_(dá)五倍。

其擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度約為硅的10倍，可在承受更高電壓的同時(shí)顯著提升能效。

憑借雙倍的電子漂移速度，碳化硅器件能夠?qū)崿F(xiàn)極快的開關(guān)速度。

所有這些特性共同為電源系統(tǒng)帶來(lái)立竿見影的革命性優(yōu)勢(shì)：在滿足現(xiàn)代直流應(yīng)用所需的高電壓（或在某些情況下所需的低電壓）需求時(shí)，充分發(fā)揮高速、高效率開關(guān)的性能潛力。

開關(guān)電源相較于線性電源的優(yōu)勢(shì)

所有這些工業(yè)應(yīng)用都要求電源高效供電。然而，高效并不總與簡(jiǎn)潔劃等號(hào)。線性模式電源轉(zhuǎn)換器通過(guò)一種非常簡(jiǎn)單的機(jī)制供電，有時(shí)僅需兩個(gè)電容和兩個(gè)電阻即可工作。

當(dāng)半導(dǎo)體器件工作在線性模式（也稱為“有源模式”）時(shí)——如圖中右側(cè)“Active”區(qū)域所示——其輸出電流 ID 主要通過(guò)輸入電壓 VDS 的大小來(lái)控制。從這個(gè)角度看，該器件本質(zhì)上相當(dāng)于一個(gè)放大器，其輸出波形能忠實(shí)復(fù)現(xiàn)輸入波形。

線性模式不適用于工業(yè)電力電子應(yīng)用的主要原因在于發(fā)熱問(wèn)題。半導(dǎo)體器件未能轉(zhuǎn)化為輸出電壓的那部分能量必須以熱能形式耗散。器件溫度越高，工作效率就越低。

而在開關(guān)模式下，晶體管產(chǎn)生方波信號(hào)，此時(shí)功率器件工作于圖中左側(cè)的“ohimic”區(qū)。在相同電流水平下，其 VDS 電壓顯著降低，導(dǎo)通損耗因此大幅減少，從而顯著提升效率。這種模式也被稱為"數(shù)字模式"，其波形反映了二進(jìn)制開關(guān)的輸出特性。

正是這種方波信號(hào)，經(jīng)由功率因數(shù)校正（PFC）電路整形后，轉(zhuǎn)化為電子元件可穩(wěn)定使用的電流與電壓?，F(xiàn)代開關(guān)模式電源中的PFC技術(shù)，不僅實(shí)現(xiàn)了高能效，還確保了優(yōu)異的熱穩(wěn)定性。

寬禁帶材料的優(yōu)勢(shì)

作為一種半導(dǎo)體材料，碳化硅（SiC）擁有備受重視的特性——寬禁帶（wide bandgap）。半導(dǎo)體顯然需要具備一定的導(dǎo)電能力，但理想情況下，材料也應(yīng)具備良好的天然絕緣特性。寬禁帶材料（如SiC）具有一個(gè)較寬的能量區(qū)間，其中不存在電子態(tài)。這一特性使碳化硅相比傳統(tǒng)硅（Si）具備多項(xiàng)顯著優(yōu)勢(shì)：

更高的功率效率，尤其是在開關(guān)過(guò)程中，能實(shí)現(xiàn)更快的開關(guān)速度和更低的損耗

介電擊穿場(chǎng)強(qiáng)高達(dá)Si的10倍，使SiC 能承受更高電壓而不被擊穿，同時(shí)保持可靠性

卓越的環(huán)境耐熱性，讓SiC器件即使在嚴(yán)苛環(huán)境中（如沙漠地區(qū)的超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心）也能穩(wěn)定可靠運(yùn)行

雙倍電子漂移速度，為PWM控制帶來(lái)更高的開關(guān)頻率

三倍導(dǎo)熱系數(shù)，不僅明顯優(yōu)于硅，也超越了GaN（氮化鎵）材料，在散熱性能上占據(jù)明顯優(yōu)勢(shì)

在工業(yè)和服務(wù)器電源系統(tǒng)中，安森美（onsemi）已憑借其EliteSiC M3S MOSFET實(shí)現(xiàn)了電源效率的革命性突破。該系列產(chǎn)品具備超低柵極電荷（QG），可大幅降低柵極驅(qū)動(dòng)與開關(guān)損耗；其極低的導(dǎo)通電阻（RDS(on)）有效減少導(dǎo)通損耗；極低的反向恢復(fù)電荷（QRR），不僅抑制電壓尖峰，還最大限度地減少開關(guān)過(guò)程中的能量損耗（ERR）。目前，EliteSiC MOSFET正助力電源制造商滿足開放計(jì)算項(xiàng)目（Open Compute）針對(duì)3000W AC-DC電源提出的開放式機(jī)架（Open Rack）嚴(yán)苛標(biāo)準(zhǔn)。而SiC技術(shù)的革新之路，仍蘊(yùn)藏著巨大的潛力等待釋放。

服務(wù)器電源需滿足的可靠供電要求

隨著生成式AI的大規(guī)模應(yīng)用，對(duì)服務(wù)器機(jī)架功率密度提出前所未有的要求——尤其是在那些引領(lǐng)Open Rack標(biāo)準(zhǔn)的超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心中——下一代電源單元 (PSU) 與配電單元(PDU)需具備更高的可靠性，更快的開關(guān)速度以及更優(yōu)異的導(dǎo)熱性能。安森美 SiC Cascode JFET（CJFET） 應(yīng)用于當(dāng)前最高效的功率整流技術(shù)（如圖騰柱PFC，TPPFC），可在不犧牲效率的前提下，實(shí)現(xiàn)更高的功率密度、更卓越的性能，并進(jìn)一步降低功耗。

開放計(jì)算項(xiàng)目（Open Compute Project, OCP）制定了面向數(shù)據(jù)中心服務(wù)器、機(jī)架及功率器件的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，其中包括適用于大規(guī)模和超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心服務(wù)器機(jī)架的Open Rack標(biāo)準(zhǔn)。要獲得OCP的鈦金（Titanium）80 PLUS認(rèn)證，一款額定功率為3.3 kW、輸入電壓為230 VAC的電源必須在50%負(fù)載條件下持續(xù)實(shí)現(xiàn) 96%的電源效率。

上圖展示的是一個(gè)基于安森美 1.5 kW 評(píng)估板進(jìn)行測(cè)試的圖騰柱功率因數(shù)校正（TPPFC）電路，其中采用了安森美SiC CJFET，并工作于連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）。該電路設(shè)計(jì)徹底消除了所有二極管導(dǎo)通損耗，包括輸入整流橋二極管和PFC二極管損耗。

通常，SiC MOSFET需要正負(fù)柵極驅(qū)動(dòng)，總柵極電壓擺幅需要達(dá)到20 V至25 V，這會(huì)使柵極電壓接近其建議的最大額定值，從而需要更加關(guān)注柵極電荷損耗。而安森美 CJFET 中的 MOSFET 部分，其柵極電壓擺幅約為 12 V，更類似于超級(jí)結(jié) MOSFET。得益于CJFET所實(shí)現(xiàn)的優(yōu)異開關(guān)損耗恢復(fù)能力，使得 TPPFC 的電源效率高達(dá)99.4%，遠(yuǎn)超OCP 鈦金 80 PLUS 認(rèn)證的要求。

分立式太陽(yáng)能逆變器的能效提升潛力

太陽(yáng)能采集的能量為直流電（DC），但要與家庭、辦公室及其他建筑中現(xiàn)有的交流配電系統(tǒng)兼容，必須將其“逆變”——即從直流電轉(zhuǎn)換為交流電（AC）。如此一來(lái)，臺(tái)式電腦等設(shè)備的電源才能像平常一樣，將輸入的交流電再次整流為直流電以供使用。

逆變器的核心功能是將直流電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為純凈的單相交流正弦波。早期方案采用兩電平逆變技術(shù)，通過(guò)在 +VDC與 -VDC兩個(gè)直流電平之間階梯式切換，粗略逼近正弦波形。隨后，該技術(shù)演進(jìn)為三電平架構(gòu)，新增一個(gè) 0 V 中間電平，形成所謂的中性點(diǎn)鉗位（Neutral Point Clamped, NPC）拓?fù)?。盡管結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，但三電平方案顯著提升了輸出波形質(zhì)量與系統(tǒng)穩(wěn)定性，因此目前已成為行業(yè)主流。

然而，隨著碳化硅（SiC）材料的引入，如今已可制造最高工作電壓超過(guò) 2000 V 的太陽(yáng)能逆變器件。展望未來(lái)，基于安森美碳化硅工藝，由 CJFET 驅(qū)動(dòng)的新型逆變器有望大規(guī)模應(yīng)用。這類器件將使兩電平太陽(yáng)能逆變器重新煥發(fā)活力——在大幅簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)、降低設(shè)計(jì)復(fù)雜度與制造成本的同時(shí)，仍能實(shí)現(xiàn)與當(dāng)前三電平逆變器相當(dāng)?shù)拈_關(guān)速度和功率轉(zhuǎn)換效率。

工程技術(shù)如何保障工業(yè)電力可靠性

所有依賴持續(xù)穩(wěn)定清潔電能的企業(yè)與行業(yè)，都會(huì)最大限度地采用工業(yè)級(jí)不間斷電源（UPS）。普通用電者或許難以察覺，但對(duì)于工程師而言這是基本常識(shí)：在線式UPS先將輸入的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，利用直流電為蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)充電，隨后再將直流電逆變?yōu)榻涣麟?，供那些自身配備?dú)立電源（帶交直流轉(zhuǎn)換器）的器件和設(shè)備使用。

在線式UPS的雙變換級(jí)

工業(yè)級(jí)UPS的目標(biāo)是輸出一個(gè)波形純凈、穩(wěn)定的交流正弦波。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需經(jīng)歷被稱為"混合模式"的工作階段——在此過(guò)程中，輸入的交流電首先通過(guò)功率因數(shù)校正（PFC）轉(zhuǎn)換為直流電。上圖展示的正是在DC-AC轉(zhuǎn)換之前，輸入的三相電源經(jīng)歷的雙重PFC轉(zhuǎn)換過(guò)程?；旌夏Ｊ郊粗钢虚g的DC-DC變換環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)對(duì)轉(zhuǎn)換效率要求極為嚴(yán)苛，原因不僅在于它承擔(dān)著為電池充電的任務(wù)，更關(guān)鍵的是：電池充電電流與最終輸出的交流電在此階段是疊加的，整個(gè)系統(tǒng)必須能夠同時(shí)承受這兩路電流。

如今，安森美通過(guò)采用可靠的 SiC MOSFET功率集成模塊(PIM)，為工業(yè)UPS市場(chǎng)提供解決方案。展望不久的將來(lái)，其EliteSiC共源共柵型JFET（Cascode JFET）正蓄勢(shì)待發(fā)，以滿足工業(yè)自動(dòng)化、AI數(shù)據(jù)中心和加密計(jì)算等新興領(lǐng)域不斷演進(jìn)的電力需求。這些器件具備業(yè)界領(lǐng)先的開關(guān)速度，并擁有當(dāng)前市場(chǎng)上極低的單位面積導(dǎo)通電阻 RDS(A)。通過(guò)簡(jiǎn)化上述電路架構(gòu)，安森美的CJFET有望顯著減少元器件數(shù)量，縮小體積并降低系統(tǒng)整體成本。

未完待續(xù)，三種替代 Si 和 SiC MOSFET的方案、開關(guān)電源應(yīng)用等進(jìn)階內(nèi)容稍后呈現(xiàn)。