650V碳化硅MOSFET（如BASiC基本股份）在AI服務器電源中的高能效解決方案

一、AI服務器電源的核心需求與挑戰

AI服務器電源需滿足高效率、高功率密度、低熱耗散和高可靠性四大核心需求。隨著算力需求的爆炸式增長，傳統超結MOSFET（如CoolMOS）和高壓GaN器件在高頻、高壓場景下面臨效率瓶頸、散熱復雜及成本壓力。碳化硅（SiC）MOSFET（如BASiC基本股份）憑借其材料優勢，成為突破傳統方案局限的理想選擇。隨著人工智能（AI）技術的飛速發展，AI服務器對電源系統的要求越來越高。傳統的超結MOSFET和高壓GaN器件在AI服務器電源中存在一些局限性，如開關損耗較高、熱管理復雜、可靠性問題等。傾佳電子楊茜將詳細介紹650V碳化硅（SiC）MOSFET在AI服務器電源中的應用解決方案，并對比其與傳統超結MOSFET和高壓GaN器件的優劣，以展示SiC MOSFET在該領域的顯著優勢。

傾佳電子楊茜致力于推動國產SiC碳化硅模塊在電力電子應用中全面取代進口IGBT模塊，助力電力電子行業自主可控和產業升級！

傾佳電子楊茜咬住SiC碳化硅MOSFET功率器件三個必然，勇立功率半導體器件變革潮頭：

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AI服務器電源需求分析

高功率密度：AI服務器通常需要處理大量數據，其電源系統需要在有限的空間內提供高功率輸出。傳統超結MOSFET由于開關損耗較大，散熱需求高，限制了功率密度的提升；而高壓GaN器件雖有高開關頻率優勢，但存在熱穩定性問題。

高效率：電源轉換效率直接影響服務器的能耗和運行成本。超結MOSFET在高頻應用中損耗增加，效率受限；高壓GaN器件在高電流下存在導通損耗問題。

高可靠性：服務器電源需要長時間穩定運行。超結MOSFET在高電壓高電流條件下易出現熱失控；高壓GaN器件對驅動電路要求極高，可靠性受驅動設計影響大。

快速動態響應：AI服務器負載變化迅速，電源需快速響應。傳統器件動態響應速度受限于開關速度和寄生參數。

二、SiC MOSFET的核心優勢與參數分析

基于BASiC基本股份BASiC-B3M040065H/L/Z三款650V SiC MOSFET的數據手冊，其關鍵性能如下：

低導通損耗

R_DS(on)@18V=40mΩ（典型值），顯著低于同電壓等級的超結MOSFET（通常>80mΩ），降低導通損耗。

溫度穩定性：R_DS(on)在175°C時僅增至55mΩ（B3M040065H），溫升對效率影響更小。

高頻開關特性

開關速度：開關延遲時間（t_d(on)）低至10ns，上升/下降時間（t_r/t_f）<20ns，支持MHz級開關頻率。

開關損耗優化：E_on/E_off@20A分別為160μJ/20μJ（B3M040065H），較超結MOSFET降低30%以上。

低寄生電容與反向恢復特性

C_oss=130pF，C_iss=1540pF，顯著降低充放電損耗。

反向恢復電荷Q_rr=100nC（25°C），僅為硅基器件的1/5，減少開關噪聲和EMI。

熱管理與可靠性

熱阻R_th(jc)=0.6K/W（TO-247封裝），支持高效散熱設計。

175°C高溫運行，適應服務器電源的嚴苛散熱環境，壽命周期更長。

三、替代傳統器件的系統級優勢

1. 對比超結MOSFET

效率提升：SiC MOSFET（如BASiC基本股份）在滿載下的整體效率可提升2%-3%（如從95%提升至97%），顯著降低數據中心PUE值。

功率密度提升：高頻特性允許使用更小體積的磁性元件（如平面變壓器），功率密度提高30%以上。

散熱簡化：熱耗降低后，散熱器體積可縮減50%，甚至可采用自然冷卻方案。

2. 對比高壓GaN器件

電壓與可靠性優勢：650V SiC MOSFET（如BASiC基本股份）在高壓大電流場景下比GaN（通常<650V）更可靠，且無動態導通電阻退化問題。

成本優勢：SiC器件單顆成本較GaN低20%-30%，系統級成本因散熱簡化進一步優化。

650V SiC MOSFET在AI服務器電源中的應用優勢

（一）提升功率密度

減小電感和電容體積：高開關頻率可使電源中的電感和電容體積大幅減小。例如，在一個典型的AI服務器電源設計中，使用650V SiC MOSFET可將電感體積減小50%，電容體積減小30%。

優化PCB布局：低寄生電容和電阻使PCB布局更靈活，可進一步減小電源體積。

（二）提高電源效率

降低導通損耗：低導通電阻在高電流應用中損耗更低。以67A（B3M040065H）為例，相比傳統超結MOSFET，導通損耗可降低60%以上。

降低開關損耗：快速開關時間和低開關能量損耗可顯著降低開關損耗。在400V輸入、20A輸出的條件下，相比高壓GaN器件，開關損耗可降低40%。

（三）增強可靠性

高熱穩定性：低熱阻和高結溫工作能力使SiC MOSFET在高溫環境下仍能穩定工作，減少了熱失控風險。

高抗雪崩能力：SiC MOSFET具有良好的雪崩耐受能力，可有效防止因電壓尖峰導致的器件損壞。

（四）簡化熱管理

降低散熱需求：低熱阻和低損耗使散熱需求大幅降低，可采用更簡單的散熱方案，如自然散熱或小型風扇散熱，降低散熱系統成本和復雜性。

四、AI服務器電源的典型應用設計

以48V轉12V DC/DC模塊為例，采用BASiC基本股份 B3M040065H（TO-247-3）的優化方案：

拓撲選擇：LLC諧振變換器，利用SiC高頻特性將開關頻率提升至500kHz以上。

驅動設計：

柵極電壓V_GS=18V，確保快速開通；負壓關斷（V_GS=-4V）防止誤觸發。

驅動電阻R_g=2.2Ω（數據手冊推薦值），平衡開關速度與EMI。

熱設計：單顆MOSFET在25°C下可承載250W功率，結合0.6K/W熱阻，僅需小型鋁基板散熱器。

EMI優化：低Q_rr特性減少高頻振鈴，結合PCB屏蔽層與共模濾波器，滿足CISPR 32 Class B標準。

650V SiC MOSFET在AI服務器電源中的設計建議

（一）驅動電路設計

低驅動電壓：SiC MOSFET的閾值電壓較低（2.3 - 3.5V），建議使用低驅動電壓（如18V）以提高效率。

快速驅動電路：采用快速驅動電路以匹配SiC MOSFET的快速開關特性，減少開關損耗。

BASiC基本股份針對SiC碳化硅MOSFET多種應用場景研發推出門極驅動芯片，可適應不同的功率器件和終端應用。BASiC基本股份的門極驅動芯片包括隔離驅動芯片和低邊驅動芯片，絕緣最大浪涌耐壓可達8000V，驅動峰值電流高達正負15A，可支持耐壓1700V以內功率器件的門極驅動需求。

BASiC基本股份低邊驅動芯片可以廣泛應用于PFC、DCDC、同步整流，反激等領域的低邊功率器件的驅動或在變壓器隔離驅動中用于驅動變壓器，適配系統功率從百瓦級到幾十千瓦不等。

BASiC基本股份推出正激 DCDC 開關電源芯片BTP1521xx，該芯片集成上電軟啟動功能、過溫保護功能，輸出功率可達6W。芯片工作頻率通過OSC 腳設定，最高工作頻率可達1.5MHz，非常適合給隔離驅動芯片副邊電源供電。

（二）PCB設計

低寄生電感和電阻：優化PCB布局，減少寄生電感和電阻，以充分發揮SiC MOSFET的高頻性能。

熱管理：采用大面積銅箔或散熱片以提高散熱效果，確保器件在高溫環境下穩定工作。

（三）保護電路設計

過壓保護：設計過壓保護電路以防止電壓尖峰損壞SiC MOSFET。

過流保護：設計過流保護電路以防止短路或過載損壞器件。

五、實測數據與行業驗證

效率對比：在1kW輸出條件下，SiC方案效率達98.2%，超結MOSFET為96.5%，GaN為97.8%。

功率密度：SiC方案的功率密度達120W/in3，較傳統方案提升40%。

可靠性測試：1000小時高溫老化（T_j=150°C）后，R_DS(on)漂移<5%，遠超硅基器件。

六、結論

國產650V SiC MOSFET（如BASiC基本股份）憑借低損耗、高頻特性與高溫穩定性，為AI服務器電源提供了高能效、高密度的解決方案。相較傳統超結MOSFET和GaN器件，其在系統效率、散熱成本與長期可靠性方面優勢顯著。隨著SiC工藝成熟與規模量產，其成本將進一步降低，成為下一代數據中心電源的核心器件。

推薦型號：

B3M040065H（TO-247-3）：適用于高功率模塊，需強散熱能力的場景。

B3M040065L（TOLL）：適合緊湊型設計，優化PCB布局。

B3M040065Z（TO-247-4）：支持Kelvin源極配置，減少開關振蕩，適合高頻精密控制。

650V碳化硅MOSFET（如BASiC基本股份）憑借其低導通電阻、高開關頻率、低熱阻和高可靠性等優勢，在AI服務器電源中具有顯著的應用潛力。相比傳統超結MOSFET和高壓GaN器件，SiC MOSFET可顯著提升電源功率密度、提高效率、增強可靠性和簡化熱管理。通過合理設計驅動電路、PCB布局和保護電路，可充分發揮SiC MOSFET的性能優勢，為AI服務器電源提供高效、可靠、緊湊的解決方案。

審核編輯 黃宇