从12kW到800VAI服务器电源架构变革下功率器件如何解题？

  随着数据中心及AI服务器的算力需求迅猛增长，带动服务器电源功率呈几何级上升，从过去常见的1～2kW提升至以3kW、5kW乃至8kW为主的阶段，未来成熟系统甚至有可能达到12kW及以上。

  电源功率倍增对功率器件提出了更严苛的要求：前端PFC模块要求极低的导通损耗，关键器件封装需尽可能减小体积，二次侧同步整流等也对低压MOSFET的性能与散热带来更高要求。

  与此同时，随着英伟达等厂商大力推进800 V高压直流供电架构(HVDC)，交流电源可直接一次性转换为约800 V的高压直流，以构建更高效的数据中心电源链路，这对高压功率器件尤其是SiC、GaN等提出了更高的性能要求。

  面对这些趋势与挑战，东芝半导体以器件性能提升与结构创新来构建“适配性”差异化策略。

  在产品线上，东芝半导体强调其全覆盖、多规格的设计理念：拥有业内“第一梯队”的导通电阻性能，覆盖20~1200V甚至更高电压范围，并提供丰富多样的封装选择以满足多种应用场景。

  本文将从“适配性”主线出发，围绕SiC、GaN、低压MOSFET三大类，深入分析东芝半导体在结构创新、参数优化及实际应用中的适配价值，揭示其如何通过功率器件的创新支持高效电源系统的发展。

  01 沟槽型结构降低导阻、嵌入SBD抑制漂移，东芝半导体SiC MOSFET的两大差异化创新

  东芝半导体在SiC功率器件领域持续进行结构层面的创新，以提升功率器件性能与可靠性。例如最新研发的新型沟槽型SiC MOSFET结构相比传统平面结构大幅度降低了导通电阻：在相同条件下测得的导通电阻比传统平面SiC MOSFET降低约20%。

  此外，东芝半导体还提出了碳化硅超级结(SJ)肖特基二极管结构。该SJ结构SBD在高温(175℃)下测试时，其导通电阻较常规SiC肖特基二极管降低了约35%。这些结构上的创新，有助于提升功率器件在高压、重载条件下的导电效率和热稳定性。

  在第三代SiC MOSFET中，东芝半导体集成SiC肖特基二极管(embedded SBD)于MOSFET中。传统SiC MOSFET中体二极管导通时会产生电子-空穴对，引发晶体缺陷的扩增大和电阻漂移;东芝通过利用MOSFET单元间间隙集成肖特基二极管，使得大电流流经内置肖特基路径，从而避免体二极管的双载流子而引发的退化机制。

  数据表明，一般功率器件在250 A/cm²恒定应力下数小时后RDS(on)会发生明显漂移，而采用嵌入肖特基的器件RDS(on)几乎稳定保持在1%以内，明显提升了功率器件在重复开关和高功率工作下的可靠性。

  此外，通过优化JFET区宽度和在P型衬底注入氮等工艺，东芝半导体第三代SiC MOSFET大幅减小了杂散结电容Qgd，提升了开关速度;同时具有宽栅极驱动电压范围(–10 V至25 V)，高开启电压(约为3~5V)的特性，可实现0V完全关断且高温漂移小。

  这意味着无需负压驱动即可可靠关断，驱动电路设计更加简洁，适应了行业常见的三级驱动架构。

  为提高功率器件在热条件下的性能，东芝半导体还采用了负温度系数的漂移层设计，使得SiC MOSFET随结温升高时导通损耗反而略有下降。

  此外，针对高温加速老化(HTRB)等可靠性测试，东芝半导体优化氧化层质量与器件缺陷率，数据结果为在1000小时的高加速测试中，漏电少于百万分之一，可见其可靠性与寿命显著优于常规硅MOSFET。

  这一系列失效控制和优化措施共同保证了SiC功率器件在高温、高压应用中的稳定性和适用寿命。

  在高功率应用方面，东芝半导体还拥有成熟的模块化封装技术：包括全密封压接的压铸式IEGT模块(PPI)、智能柔性SiC模块(iXPLV)以及新型HV-MCP多芯片封装，实现更小的体积和更高的功率密度。

  由此可见，东芝半导体SiC功率器件通过持续的结构创新与封装优化等差异化设计，在高功率电源系统中提供了更低损耗、更高可靠性和更宽应用边界的解决方案，实现了面向AI服务器等新兴应用的高度适配性。

  02 LLC效率97.9%、PFC达98.6%，东芝半导体GaN面向高频高密度电源的应用及效率表现

  氮化镓(GaN)具有高电子迁移率和高饱和电子速度，使其在高频高效开关应用中非常关注。东芝半导体针对电源级GaN功率器件进行了量产化布局和创新设计。

  东芝半导体推出的首款GaN功率器件为650 V耐压，典型RDS(on)=35 mΩ的低损耗开关管(QFN9×9封装)，该器件目前已有工程样品发布，并计划于2025年第三季度推出商用样品。

  东芝半导体GaN功率器件为常开型GaN+低压P沟道MOS组成的级联结构;为兼顾高开关速度与易用性，东芝GaN器件采用了“直驱型”设计：允许使用外部栅极电阻(Rg)来灵活调节器件的dv/dt斜率，从而方便抑制电磁干扰和优化开关性能。

  在大功率开关电源应用中，东芝半导体GaN功率器件表现出了显著的效率优势。

  其评估结果为，使用东芝半导体35mΩ GaN MOSFET的2.0 kW全桥LLC谐振变换器评估板，峰值效率可达97.9%;在3.0kW图腾柱PFC评估板中，采用东芝GaN MOSFET的系统峰值效率达到98.6%。

  数据表明，即使在满载情况下，东芝半导体GaN功率器件也能保持很高的效率，充分的发挥低导通损耗和低开关损耗的特性。对需要高效率和高功率密度的服务器电源前端与DC-DC转换设计，采用东芝半导体GaN器件可以在一定程度上完成显著的能量节约和降低散热负担。

  东芝半导体GaN功率器件凭借高开关性能和易用性特性，在适配现代大功率电源系统中具有较强的能力。其高输出峰值电流能力和高CMTI性能为抑制噪声突变提供了保证;内置高电平阈值驱动，降低了在高密度板上自激误导通的风险。

  例如，东芝半导体首款650V GaN功率器件采用了门极阈值约–11V的设计，这在某种程度上预示着即便快速切换时产生较大dv/dt干扰，上管也不易被误触发。同时，外部仅需少量外部元件(如栅极电阻)就可以实现器件的dv/dt调控，简化了电路设计。

  由此可见，东芝半导体GaN适配于各种高效开关电源场景，如服务器AC-DC前端、LLC谐振变换器、同步整流调节器等，在保障效率的同时提供灵活的系统集成方案。

  03 U-MOS降导阻、新SOP封装提电流，东芝半导体低压MOS解决高密度DC-DC散热瓶颈

  在低压MOSFET领域，东芝半导体推出了新一代U-MOS系列功率器件，通过材料与结构的协同优化提升性能。

  比如U-MOSⅪ系列大幅改善RDS(on)、Qg的同时还提升了反向恢复特性Qrr。最新产品线V等多种额定电压功率器件：典型代表如U-MOSⅪ-H 100V封装为5×6 mm²，不仅仅具备低RDS(on)、低Qg还具有低Qrr的特征，总体性能更优，并赢得了客户的赞誉。

  这些功率器件在导通损耗与开关损耗之间取得了更优平衡，为服务器二次侧DC-DC等应用提供了高效的低压开关解决方案。

  此外，为了应对服务器电源需要高功率密度的趋势，东芝半导体开发了多种进阶封装技术来提升LVMOS模块的载流和散热能力。

  SOP Advance(E)封装即是其中一例：它兼容传统5×6 mm²规格，但通过内置互联结构，实现了比标准SOP5x6封装多23%的芯片面积和高达180 A的额定电流，并将封装电阻降低约33%、热阻降低约15%。

  采用这种封装的MOSFET能以较低的结温实现更大的输出功率，使得结构更为紧凑，实现更高的功率密度。例如，在同一封装面积下，SOP Advance(E)能够承载更高电流而不超温，对机架式电源板上空间极为宝贵的布局尤为适用。

  东芝半导体同时还推出了多款接近业界领先的L-TOGL(低阻抗TO-220)和双面散热封装等，以满足多种功率级热管理需求。

  面向新一代服务器和高效供电系统的需求，东芝半导体通过“结构创新、性能提升+多场景覆盖”的策略，构建了其产品的强大适配能力。

  无论是从SiC和GaN这类宽禁带半导体的结构优化、封装升级，还是从新一代低压MOSFET的性能提升、封装革新，东芝半导体都下足功夫，其丰富的产品线适配多种电源架构中的灵活应用。

  这些功率器件的能力实现了可适应多种电源拓扑与载荷条件的目标——正是适配的具体体现。

  展望未来，随着电源架构持续演进，东芝半导体通过持续的创新和研发投入(如SiC超级结结构MOSFET和SiC IGBT的专利申请)，将进一步强化其功率器件在高效电源系统中的适配价值，为客户提供更丰富、更可靠的功率器件选项。

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