任何電子產品都離不開電源，隨著各個國家和地區能源標準的提升和用戶環保意識的增強，對電源效率的要求越來越高。產業鏈內的公司和工程師們為了提升電源效率，減少能源浪費也是較勁了腦汁。

最近，英飛凌分享了一個可以讓電源的整體系統效率提升至98%的案例，引起了<電子發燒友>的注意。據英飛凌電源管理及多元化市場事業部大中華區開關電源應用高級市場經理陳清源介紹說，目前在大型數據中心，標準的功率密度大概是平均每個機架3kW，而且現在系統廠商普遍要求，在保證系統穩定度的前提下，整體系統的效率要超過96%，越高越高。因為數據中心散熱也是一筆不小的開支，而效率的提升可以降低散熱的成本。

圖1：英飛凌3300W圖騰柱PFC電源演示板。（來源：英飛凌）

英飛凌這個針對數據中心的電源解決方案實現了98%的整體系統效率，陳清源表示，這主要是因為使用了英飛凌新近推出的650V CoolSiC MOSFET和專用的單通道和雙通道電氣隔離EiceDRIVE柵極驅動電路IC。

圖2：英飛凌電源管理及多元化市場事業部大中華區開關電源應用高級市場經理陳清源。

具體的方案框架如圖3所示，上圖采用的是PFC圖騰柱，LLC是一個軟開關。圖騰柱部分使用的是SiC。如果只需要滿足96%的效率，在LLC上可以選用硅芯片，這樣成本可以做到最優。由于PFC的效率可以達到99%，使用了硅基芯片的LLC的效率可以達到97%，整體效率能夠滿足96%的需求。

而如果將LLC也換成SiC器件的話，它的效率也可以達到99%，這樣整個系統的效率就會達到98%。

圖3：英飛凌的高效率電源解決方案。（來源：英飛凌）

陳清源承認，98%是一個比較極限的值，要想達到這個效率，需要使用到650V CoolSiC MOSFET和與之配套的EiceDRIVE柵極驅動電路IC，如果使用其他杉機驅動IC，可能系統效率就達不到98%了。

為何英飛凌的這兩顆芯片可以做到？

陳清源解釋說，這是因為碳化硅的驅動方式與傳統硅器件的驅動方式是不一樣的，而EiceDRIVE柵極驅動電路IC是專門針對英飛凌碳化硅器件而設計的，搭配使用可以達到更好的效果，更高的穩定度。

650V CoolSiC MOSFET是英飛凌在今年2月份推出的碳化硅系列產品，該系列目前有8個不同的產品，采用兩種插件TO-247封裝：一種是典型的TO-247 3引腳封裝，另一種是支持開關損耗更低的TO-247 4引腳封裝。

圖4：英飛凌650V CoolSiC MOSFET。

新發布的這8個產品主要針對工業電源、光伏、充電樁、不間斷電源系統、以及能源儲存等應用場景。不過，陳清源指出，未來英飛凌陸續會推出更多的封裝來應對不同的市場應用，他預計會推出50個以上的產品。

他同時強調，英飛凌在碳化硅產品的可靠性方面做了很多工作，比如增加堅固耐用度；優化在柵極氧化層的可靠度；為了防止誤導通，VGS重新設計在大于4V上；在一些特殊的拓撲，例如CCM圖騰柱的拓撲加入了硬換相的體二極管等等。

在易用性方面，放寬了VGS的電壓范圍，在0V電壓可以關斷VGS，不需要跟氮化鎵一樣做一個負電壓。

圖5：溝槽式與平面式MOSFET的可靠性和性能對比。（來源：英飛凌）

在陳清源看來，柵極氧化層是設計上的一大難點，因為它會影響產品的可靠度。

目前在碳化硅的工藝上面、前端的工藝，主要有兩個主流：一個是平面式，一個是溝槽式，英飛凌采取的是溝槽式，“因為我們溝槽式的經驗來自于CoolMOS這十幾二十年的工作經驗，我們得到了很多的專業技術。也就是我們在用溝槽式的設計可以達到性能的要求，而不會偏離它的可靠度。就以碳化硅MOS為例，可能在同樣的可靠度上面，碳化硅溝槽式的設計會遠比平面式的碳化硅MOS擁有更高的性能。”他表示。

圖6：Qrr和Qoss。

對于硬換向的拓撲， Qrr和Qoss是兩個很重要的參數。英飛凌的CoolMOS一個系列有快速二極管在里面。但是事實上這個系列是為了硬換向的拓撲，有了碳化硅之后，這個碳化硅因為物理特性、產品的特性，事實上它在的Qrr是遠低于硅器件的體二極管。

再看Qoss，事實上這個參數也更低。所以說這個部分很適合在硬換向的拓撲可以達到更高的效率、更好的設計。當然其它競品、其它供應商，他們也有碳化硅和MOSFET，他們也會涉及到這兩個參數RDS(on)*Qrr， RDS(on)*Qoss。從各個供應商來看，“事實上它的參數的值都比英飛凌要高，表示這個技術上面我們還是取得不錯的領先跟主導。甚至有一些供應商，它有一些參數是不標的，RDS(on)*Qrr 、 RDS(on)*Qoss是不標的，不標對工程師在設計上造成蠻大的困難，我們也跟業界的領導廠商也有很多討論，他們也針對這些參數也跟我們討論了很多。他們也很感謝，說英飛凌把整個規格書寫的很清楚。我們有控制、有規范。”陳清源自豪地表示。

他還舉了一個實例來說明碳化硅器件的好處。使用了碳化硅的圖騰柱PFC設計可以得到很高的效率。

圖7：英飛凌的圖騰柱PFC解決方案。

“剛剛我提到我們有四個RDS(on)，這邊我們挑了48 mΩ、72 mΩ、107 mΩ在這個圖騰柱的設計，搭配英飛凌CFD7的一個S7系列，在圖騰柱拓撲的設計。我們用了48 mΩ，事實上它的效率可以在PFC達到 99%。”陳清源表示。

在以前，以硅的技術，事實上是很不容易做到。不能說：“不可能做到。”但是是很不容易做到，有這個好的器件事實上讓工程師節省了很多的精力。

而配合英飛凌的驅動IC，事實上可以讓整個性能更加的優化，以及說它設計的穩定度更好。當然如果有的客戶基于成本的考量，他不需要到99%，到97%、96%就可以了，“至少我們還有其它的選項，像72 mΩ、107 mΩ，事實上它的效率在重載的時候效率就比較低了，因為它的導通靜態程式就比較多。”

“這是一個很好的例子，就是說，以前做不到的，還是以前很不容易做到的，借由器件的優化、器件的突破，可以做到一個99%，接近零耗損的一個PFC。”陳清源說。

碳化硅市場的機遇

根據今年IHS的預估，今年碳化硅市場會有近5000萬美元的市場份額。再往后到2028年，市場份額會達到1億6000萬美元。目前，碳化硅主要應用是電源供應器、不間斷電源、電動汽車充電、馬達驅動還有光伏跟儲能的部分。其中，最大的部分來自電源。

圖8：650V SiC MOSFET的市場和應用。

更為重要的是，碳化硅市場的年復合增長率是16%，這個數字相當有吸引力，從而吸引了很多競爭者進入這個市場。