1984 年，我有幸與尊敬的 Rudy Severns 一起環(huán)游了歐洲，為 Siliconix 傳授新技術(shù)。我是一名年輕的應(yīng)用工程師，當(dāng)時(shí)的新技術(shù)是硅功率 MOSFET。工程師那時(shí)在他們的開關(guān)電源中使用雙極晶體管，Rudy 在他的“先進(jìn)功率 MOSFET 研討會(huì)”上指出了硅 (Si) MOSFET 的許多優(yōu)點(diǎn)，它可提高開關(guān)頻率并降低功耗。Rudy 討論了如何正確使用和應(yīng)用它們，以及在切換電感負(fù)載時(shí)如何處理各種 dV/dt 故障模式。

　　那是 37 年前的事了?？爝M(jìn)到 2021 年：我們也遇到了類似的情況，多家初創(chuàng)型公司和大型電源半導(dǎo)體公司推出了新的寬帶隙 (WBG) 氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 化合物半導(dǎo)體開關(guān)，以淘汰硅 MOSFET，因?yàn)樗鼈兛赏ㄟ^更低的 R(DS)ON 提供更高的開關(guān)頻率、更低的損耗和更高的擊穿電壓。由于電氣化的發(fā)展以及數(shù)據(jù)中心逐步采用基于 GPU 的人工智能 (AI) 應(yīng)用，汽車電源的顯著增加，為新型 WBG MOSFET 創(chuàng)造了機(jī)遇。在這些市場上，電源系統(tǒng)的占用面積、效率和重量將對(duì)終端系統(tǒng)的性能和價(jià)值產(chǎn)生巨大影響，這進(jìn)一步提高了電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要性。即使一些電源設(shè)計(jì)工程師開始采用 WBG MOSFET，先進(jìn)的拓?fù)浜碗娫醇軜?gòu)仍可通過硅芯片組件實(shí)現(xiàn)更高的效率和功率密度。

　　新一代電源挑戰(zhàn)

　　電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師不斷面臨的挑戰(zhàn)是設(shè)計(jì)空間占用極少、重量最輕、效率最高而且熱管理優(yōu)化的供電網(wǎng)絡(luò) (PDN)。在這些領(lǐng)域力求實(shí)現(xiàn)最好的規(guī)格，可定義能夠帶來主要競爭優(yōu)勢的領(lǐng)先產(chǎn)品。

　　例如電動(dòng)汽車的電池續(xù)航時(shí)間(里程)和快速充電規(guī)格，或者 AI 超級(jí)計(jì)算機(jī)的速度和機(jī)架功率密度。這些都是極具競爭力的性能規(guī)格，必須在提供 50kW 到 150kW 功率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)。因此，傳統(tǒng)電源轉(zhuǎn)換器、穩(wěn)壓器及其硅芯片組件很難滿足 PDN 尺寸和重量的關(guān)鍵性能規(guī)格。

　　電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的困境

　　每位系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員都會(huì)在啟動(dòng)新項(xiàng)目時(shí)問一些基本問題：上一個(gè)項(xiàng)目成功了，這次我是否需要改變我的設(shè)計(jì)?我可否使用相同的設(shè)計(jì)、組件以及我很熟悉并建立了多年信任的供應(yīng)商?我能否稍微修改一下設(shè)計(jì)，還是說新規(guī)格要求對(duì)其進(jìn)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(fā)一款新的架構(gòu)、拓?fù)浠蚩刂葡到y(tǒng)?我可以承擔(dān)多大的風(fēng)險(xiǎn)?我的團(tuán)隊(duì)是否愿意承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)，以換取獲得更高性能，或是重要的競爭優(yōu)勢?

　　Vicor 電源模塊設(shè)計(jì)人員一樣，他們也會(huì)問同樣的問題，以便讓電源模塊的密度、效率及靈活性性能保持領(lǐng)先地位。

　　使用高壓最大限度減少妥協(xié)和折中

　　解決供電難題的一種方法是使用更高的電壓。因?yàn)楣β薯?xiàng)和功耗都是基于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(yōu)勢不僅讓數(shù)據(jù)中心機(jī)架和輕度混合動(dòng)力汽車的配電從 12V 變成了 48V，而且還讓電動(dòng)汽車的電池電源變成了 400V、800V 和 1200V。使用高頻率開關(guān)拓?fù)鋪砜s小電源轉(zhuǎn)換器和穩(wěn)壓器的占用面積，可在 PDN 尺寸和重量方面實(shí)現(xiàn)更多優(yōu)勢。

　　這些挑戰(zhàn)和巨大的新興市場機(jī)遇帶來了 WBG MOSFET 的發(fā)展和現(xiàn)在的廣泛使用，其具有高壓功能、更快的開關(guān)速度、更高的溫度范圍，更低的傳導(dǎo)電阻以及最小功耗，從而提高效率。對(duì)于許多 DC-DC 電源及電源系統(tǒng)的供應(yīng)商而言，這些屬性對(duì)于實(shí)現(xiàn)所需的功率密度至關(guān)重要。

　　對(duì)于大功率高壓分立式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)而言，WBG MOSFET 明顯優(yōu)于硅 MOSFET，但在 Vicor，電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的模塊化電源方法以及獨(dú)特的專有架構(gòu)、拓?fù)?、控制系統(tǒng)及電源封裝則有助于 硅 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(duì)更高的電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換和穩(wěn)壓，這種不斷的創(chuàng)新提高了功率密度和效率。上世紀(jì) 80 年代初，Vicor 創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官 Patrizio Vinciarelli 開發(fā)了一款新拓?fù)?，這是一款支持有源箝位的準(zhǔn)諧振正激轉(zhuǎn)換器， 他是2019 年 IEEE Willian E. Newell 電力電子產(chǎn)品獎(jiǎng)獲得者，表彰他為電源電子產(chǎn)品做出的杰出貢獻(xiàn)，。這種拓?fù)涫褂没陬l率調(diào)制的、支持零電流開關(guān) (ZCS) 的控制系統(tǒng)切換高達(dá) 1MHz 的頻率，隨后磚型解決方案就誕生了(圖 1)。

　　圖 1：磚型封裝成為 90 年代的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)封裝。Vicor 磚型 DC-DC 轉(zhuǎn)變器采用準(zhǔn)諧振正激轉(zhuǎn)換器拓?fù)浜凸? MOSFET，根據(jù)輸入電壓范圍和輸出電壓，實(shí)現(xiàn) 120W/in3 的功率密度和高達(dá) 89% 的效率。

　　因此，轉(zhuǎn)向陰暗面(銷售和市場營銷)并忘記我所有的工程培訓(xùn)時(shí)，我請(qǐng)教了高級(jí)應(yīng)用工程師 Tom Curatolo，他在 Vicor 工作了 30 多年，請(qǐng)他講解了一些磚型拓?fù)浜涂刂葡到y(tǒng)的優(yōu)勢。這是他告訴我的。

　　磚型解決方案采用硅 MOSFET，充分利用高頻率開關(guān)以及采用固定通導(dǎo)時(shí)間在零電流下讓主開關(guān)轉(zhuǎn)換同步的功能，顯著降低了開關(guān)損耗。

　　另一種硬開關(guān)拓?fù)淇墒褂酶叩拈_關(guān)頻率來抵消系統(tǒng)的功率損耗。此外，實(shí)現(xiàn)高效率還需要同步整流并整合多相功能。較低頻率的開關(guān)需要使用更大的無源器件，這需要在 MOSFET 基于可變通導(dǎo)時(shí)間的更長開關(guān)周期間，將功率保持更長時(shí)間。

　　另一個(gè)問題是，在主開關(guān)轉(zhuǎn)換期間，帶斬波電流的較低開關(guān)頻率會(huì)導(dǎo)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(huì)增加尺寸和重量。

　　謝謝你，Tom!權(quán)衡的結(jié)果就是，基于硬開關(guān) PWM 拓?fù)涞碾娫聪到y(tǒng)依賴于硅 MOSFET 功率開關(guān)的進(jìn)步來提高功率密度和性能。由于功率 MOSFET 開始了其改進(jìn)品質(zhì)因數(shù) (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(jì) 80 年代做夢也想不到的水平)的旅程，因此所有拓?fù)涑浞掷眠@些電源開關(guān)改進(jìn)的優(yōu)勢縮減了電源系統(tǒng)的尺寸和重量。

　　今天，許多硬開關(guān)拓?fù)湔谵D(zhuǎn)向 WBG 材料，如 SiC 和 GaN 功率 MOSFET，以進(jìn)一步提高功率密度和效率，特別是高壓大功率系統(tǒng)。

　　然而，硅功率 MOSFET 在 Vicor 發(fā)明的諧振轉(zhuǎn)換器拓?fù)渲腥匀缓軓?qiáng)大，最為著名的是支持 ZVS 和 ZCS 控制系統(tǒng)的正弦振幅轉(zhuǎn)換器 (SAC?) 拓?fù)?。一個(gè)可實(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)換器，它使用 SAC 拓?fù)浜凸?MOSFET，實(shí)現(xiàn)了業(yè)界領(lǐng)先的規(guī)格，效率 99%，功率密度 10kW/in3 的(圖 2)。

　　圖 2：NBM6123 是一款雙向 800 — 400V 固定比率轉(zhuǎn)換器，使用非隔離版本的 SAC 拓?fù)浜凸?MOSFET，以 99% 的效率實(shí)現(xiàn)了 10kW/in3 的功率密度。

　　經(jīng)常問及的問題：Vicor 何時(shí)采用 WBG MOSFET?答案很簡單：當(dāng)優(yōu)點(diǎn)足以證明改變是合理的時(shí)候。在此之前，硅功率 MOSFET 將在高性能電源模塊中長期使用，至少在 Vicor 是這樣的。在 Rudy Severns 第一次倡導(dǎo)用硅功率 MOSFET 取代雙極晶體管時(shí)，我們都知道，有一天，也會(huì)有一種新技術(shù)取代硅功率 MOSFET。但我們沒想到硅 MOSFET 能夠持續(xù)使用近 40 年。Vicor 技術(shù)也將把 WBG MOSFET 推向效率和功率密度的新高。但在此之前，久經(jīng)考驗(yàn)的硅功率 MOSFET 在高性能電源模塊中將繼續(xù)使用…至少在 Vicor 是這樣。