服務器和電信應用的發(fā)展趨勢是功率密度不斷提高。例如，開放計算項目（OCP）的服務器電源裝置（PSU）規(guī)范在去年將功率密度提高了1.5倍^[1]，[2]。為了滿足這些功率密度要求，我們需要縮小所有元件的尺寸，尤其是無源元件。隨著新型400V SiC MOSFET的問世，可實現(xiàn)兼具更小的導通電阻，更小的柵極電荷，輸出電荷和反向恢復電荷，以及實現(xiàn)輸出電容，米勒電容（漏極與門級之間的電容）與漏極電壓之間更好的線性關系的功率半導體器件^[3]。與之相連的超低開關損耗和傳導損耗有望明顯提高系統(tǒng)效率和功率密度，并使這些器件完美地適用于輸入電壓有效值高達350 V AC的三電平拓撲結構^[3]。文獻^[4]中介紹的服務器PSU就是一個可實現(xiàn)功率密度和所需性能的范例。它采用了交錯圖騰柱PFC，從而縮小了EMI濾波器的尺寸，采用了高頻（500 kHz）LLC設計，并在PCB變壓器中集成了同步整流器(SR)，實現(xiàn)了非常緊湊的DC-DC轉換器解決方案。此外，由于增加了保持時間延長電路，減少了大容量電容器，從而在峰值效率為97.4%的情況下實現(xiàn)了近100 W/in³。該解決方案與使用配備400V SiC MOSFET的三電平飛跨電容器(3LFC)PFC轉換器的實施方案進行了比較，LLC和SR級保持不變。分析了具有高可靠性的三電平飛跨電容PFC電路的主要設計問題。實驗結果表明，PFC扼流圈體積減小，性能提高，峰值效率超過97.6%。

圖1給出了遵循先前介紹的設計方法^[5]的英飛凌SiC MOSFET晶胞的橫截面示意圖。有源溝道沿a平面排列，以提供最佳的溝道遷移率和最低的界面阱密度。柵極氧化物由深p阱保護，深p阱與半導體表面的源電極相連。由于第二個溝槽側壁與該晶面不重合，因此不用作有源溝道。相反，埋入的p區(qū)沿著非活動側壁與源電極相連。這樣就實現(xiàn)了非常緊湊的晶胞設計，并與a面的高溝道遷移率相結合，實現(xiàn)了低特定區(qū)域導通電阻。雖然這種新型400V MOSFET與之前推出的第一代器件有許多相似之處^[5]，但它得益于該技術的不斷改進，從而明顯縮小了晶胞單元間距，改善了溝道特性，并提高了對漂移區(qū)特性的控制。此外，還對芯片設計進行了精心優(yōu)化，以避免不必要的有源面積損失，例如通過優(yōu)化結終端設計。

圖2比較了新型400V和650V CoolSiC?技術的關鍵器件參數。圖3比較了三電平拓撲結構典型條件下的開關損耗。由于兩個器件串聯(lián)，因此需要導通電阻為一半的器件。不過，由于FOM更好，器件上的電壓更低，因此開關損耗要低得多。圖4顯示了體二極管在不同漏極電流下的換向波形。測量結果表明，盡管應用了較高的di/dt變化率，但二極管的換向穩(wěn)定性極佳，反向恢復電荷極低，而且對工作電流的依賴性幾乎可以忽略不計。

多電平拓撲結構是高功率密度設計的理想選擇^[4,5]。采用移相調制的飛跨電容器PFC可大大減少PFC扼流圈的體積：實際工作頻率提高一倍，而開關節(jié)點上的電壓減半。因此，與兩電平圖騰柱PFC相比，電感可減少75%。盡管在3L-PFC中使用的是額定全電流的單個扼流圈，但與交錯圖騰極相比，PFC扼流圈的體積最多可減少60%，參見圖5。由于兩種拓撲結構的輸入電流相同，因此這兩種解決方案共用相同的EMI濾波器。同樣的方法也適用于母線電容的尺寸，兩種方案都使用了相同的保持擴展電路。在減少PFC扼流圈體積的同時，也提高了轉換器的性能。盡管3LFC需要較低的R_dson器件（兩個器件串聯(lián)在電感電流通路中），但400V器件的優(yōu)越性能（圖2）使得輕載到中載的效率得以提高。圖6比較了57mΩ 650V的交錯圖騰極^[3]與25mΩ 400V的擬議推薦的3LFC^[3]的效率，后者效率提高了0.3%。

在使用飛跨電容多電平拓撲結構時，一個主要的問題是飛跨電容（FC）在啟動期間的充電問題，因為充電路徑被多電平結構的堆疊器件阻擋。不同的應對方案^[4,5]都旨在避免在輸入電壓升高時，如果飛跨電容器沒有充電，則功率器件承受的電壓超標的問題。這些解決方案要么需要控制干預并依賴于轉換器的偏置，要么基于無源解決方案，無法在穩(wěn)態(tài)運行期間斷開。在所有情況下，都需要額外的元件（如繼電器、TVS二極管）或修改的調制方案，這對PSU的功率密度和效率都有影響。

圖7展示了另一種在啟動過程中為飛跨電容器充電的解決方案，該方案可將400V SiC器件保持在擊穿電壓（V_ACpeak=422V時的最大V_DS,max=331V）之下。建議的電路由一個電流源組成，在施加交流電壓時為飛跨電容器提供充電路徑。該電流源自動啟用，并在FC電壓達到目標值時禁用。

圖5. ^[3]中實現(xiàn)的交錯圖騰柱PFC與建議的3LFC-PFC的比較

圖6. 采用25mΩ 400V SiC的3LFC-PFC和采用57mΩ 650V SiC的交錯圖騰柱（左）在230 VAC下的PFC測量效率，以及采用3LFC-PFC的3.3kW服務器PSU的3D渲染圖（右）。

圖7. 3L-PFC啟動（左）和300 VAC測試（右）的擬議解決方案簡圖

該推薦的解決方案獨立于控制，可在穩(wěn)態(tài)運行期間移除。此外，還采用了一個啟動單元（線性穩(wěn)壓器），以消除對輸入電壓上升時間和偏置轉換器啟動時間的依賴。圖7（右）顯示了300V電壓下的啟動測試波形。建議的解決方案只需很小的面積，就能與飛跨和400V SiC器件集成在電源板上。