全新功率半导体技术助力数据中心节能

世界各地计算机数量众多，耗能量也相当庞大，而支撑互联网运作的数据中心就是一大耗能实例。在一个典型的数据中心设施中，其实只有不到一半的功耗是用在计算功能上的。所以数据中心运营商千方百计寻找机会来提高功率转换效率和分配效率，例如通过高压直流源的分配来减小转换级的数目。

在美国，供电网把大约13 800Vac的交流电配送到各个社区，最后利用变压器(不对能耗产生显著影响)将电压降为480Vac。而每个数据中心几乎都备有一个UPS(不间断电源)。可是，这个功率调节级的效率可能只有70%。在服务器机架上，208Vac的交流电压被转换为12或48Vdc的直流电压，再降压至处理器、硬盘驱动器和内存所需的总线电压。

图1 一个典型数据中心的功率转换级

以一个每板带两个处理器的满装服务器机架为例，假设转换效率为90%，若功耗为5kW，则会浪费500W的能量。高性能低压MOSFET具有更低的导通阻抗和更低的开关损耗，能够提高这些转换级的效率。

上一代降压转换器采用肖特基二极管和60V额定电压的功率MOSFET，效率为80%～85%；而现在使用的功率MOSFET产品，即使处理器输入电压下降，也能够获得90%以上的效率。

先进的低压功率MOSFET降低损耗
在20世纪90年代中期以前，因为传导损耗(I2R)仍是总功耗的主要成分，低压功率MOSFET的开发焦点一直放在RDS(ON)上。随着开关频率的上升，研究人员开始逐渐关注栅极电容和栅极电荷。图2所示为功率MOSFET品质因数(归一化RSP和RSP・QGD)的变化趋势。在过去14年间，这些参数减小了近10倍。

图2 30V功率MOSFET的品质因数的变化趋势

业界已开发出数种能够减小导通阻抗和栅极电荷的新技术，其中一种技术就是在栅极沟槽底部采用一层加厚的氧化层(见图3)。这种方案不仅有助于降低栅漏电容(CGD)，还能增大漂移区的阻抗。它也有利于降低导通阻抗和栅极电荷，因为现在可以一方面通过薄栅极氧化层来获得更低的Vth(阈值电压)以及更低的导通阻抗，同时又可以在沟槽底部采用加厚氧化层以获得最低的CGD。

图3 底部带加厚氧化层的功率MOSFET器件横截面图