上海期货配资公司 倾佳电子算力电源PSU核心技术报告：无桥PFC与LLC拓扑中SiC MOSFET的决定性价值

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倾佳电子（Changer Tech）是一家专注于功率半导体和新能源汽车连接器的分销商。主要服务于中国工业电源、电力电子设备和新能源汽车产业链。倾佳电子聚焦于新能源、交通电动化和数字化转型三大方向，并提供包括IGBT、SiC MOSFET、GaN等功率半导体器件以及新能源汽车连接器。

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一、 引言：算力时代的电源革命

1.1 AI大模型驱动的算力需求浪潮

当前，人工智能（AI）大模型的快速迭代与广泛应用正在催生一场史无前例的算力需求浪潮。随着模型参数从千亿级向万亿级乃至更高规模迈进，对底层算力基础设施的依赖性也呈指数级增长。根据《中国算力发展指数白皮书》，算力已成为数字经济时代的核心生产力，每投入1元钱的算力，预计将带动3至4元的GDP增长，其战略价值不言而喻 。

这一趋势对数据中心和服务器电源（PSU）系统提出了前所未有的挑战。AI大模型的训练和推理需要庞大的智算集群化（如E级智算中心）支持，同时随着模型向边缘和终端延伸，算力布局又呈现泛在化的趋势 。这直接导致了数据中心总功耗和单机柜功率密度的爆炸式增长，对电源设计从根本上提出了新的要求。

在这一背景下，电源系统的核心挑战已不再仅仅是“能否提供足够的功率”，而是“如何以极高的效率和功率密度来提供海量算力”。浪费的每一瓦电能都将转化为热量耗散，这不仅直接增加了数据中心的运营成本，也加剧了碳排放，与全球可持续发展目标背道而驰 。衡量电源优劣的指标也因此发生了范式转变。传统的额定功率已不再是唯一标准，取而代之的是包含效率、功率密度和PUE（Power Usage Effectiveness）在内的综合指标体系 。PUE值是衡量数据中心能效的关键指标，其平均值约为1.67，这意味着设施每消耗1.67瓦电能，仅有1瓦被输送给IT设备，其余近40%的电能被浪费 。因此，电源效率的每一分提升，都将直接降低PUE，带来可观的运营成本和碳排放削减。

1.2 算力电源PSU的核心需求洞察

面对AI时代的严苛挑战，现代算力电源PSU必须满足以下核心需求：

功率密度：随着AI服务器机柜功率密度的持续上升，单个电源模块需要在有限的1U或2U机架空间内输出高达2-4kW甚至更高的功率 。这要求电源内部的磁性元件和无源器件的体积必须大幅减小，以实现更高的处理能力密度 。

系统效率：AI负载的复杂性和动态性要求电源在整个功率需求范围内，特别是轻载和瞬态响应下，都必须保持尽可能高的效率 。这不仅是为了降低功耗，更是为了减少发热，因为浪费的能量会直接转化为热量。

热管理：高功率密度伴随巨大的热量产生，对散热提出了严峻挑战 。电源本身作为主要热源之一，其内部功耗必须降到最低。此外，电源设计还需前瞻性地兼容新兴的液冷技术，以适应未来数据中心的散热架构 。

智能控制与通信：传统模拟控制解决方案已无法应对AI市场快速增长的电源需求。现代电源系统需要高度智能化，并与主CPU/GPU/TPU之间建立通信（如通过PMBus协议），以实现实时遥测、精确控制、故障预测与保护等功能 。

二、 先进电源拓扑：高功率密度与高效率的基石

2.1 传统AC-DC两级拓扑的局限性

在AI算力时代之前，主流的AC-DC电源架构通常采用传统的两级拓扑：前端为Boost PFC（功率因数校正）级，后端为隔离式DC-DC级（如半桥LLC或移相全桥）。这种架构成熟可靠，但在面对AI服务器的高效率、高功率密度需求时，其固有局限性愈发凸显 。

主要瓶颈在于前端的桥式整流器。在工频交流输入下，整流器中的二极管会产生持续的传导损耗，在高功率应用中，这部分损耗成为限制系统整体效率提升的“阿喀琉斯之踵”。此外，由于传统硅（Si）器件在更高频率下的开关损耗急剧增加，难以有效减小磁性元件的体积，导致功率密度难以突破瓶颈 。

2.2 前端拓扑：无桥图腾柱PFC的崛起与SiC的必然性

为了克服传统拓扑的局限，无桥图腾柱PFC（Totem-Pole PFC）拓扑应运而生。其核心思想是取代传统的二极管桥，将整流和升压功能集成到两个开关支路中 。一个“慢速支路”采用工频（50-60Hz）切换，主要负责输入电压的极性整流；而另一个“快速支路”则在极高频率（约100kHz）下进行PWM切换，完成电流整形和电压提升 。这种架构通过消除传统整流桥的持续压降，显著降低了传导损耗，从而大幅提升了前端的转换效率。

尽管无桥图腾柱拓扑的概念早在多年前就被提出，但由于一个“致命缺陷”的存在，其大规模商业化应用一直受限。这个缺陷就是传统Si MOSFET体二极管严重的反向恢复问题 。在高频开关过程中，MOSFET的体二极管会进入反向恢复状态，产生巨大的反向恢复电流和损耗，不仅导致效率低下，更可能引发器件的热失效和损坏。这种固有的物理特性使得传统硅器件无法在高频下安全、高效地实现无桥图腾柱拓扑。

正是因为这一“致命缺陷”，以碳化硅（SiC）为代表的第三代半导体器件，成为了无桥图腾柱PFC拓扑的必然选择。SiC MOSFET凭借其近乎为零的反向恢复电荷（Qrr）和极快的恢复时间，完美解决了这一问题，使得无桥图腾柱PFC在高频下变得高效且可靠。这正是SiC在前端拓扑中不可或缺的决定性价值 。

为进一步优化性能，交错并联（Interleaving）技术常被应用于无桥图腾柱PFC。该技术通过将多个无桥PFC级并联工作，并进行相移，来有效减小输入和输出电流的纹波 。这不仅能减小前端EMI滤波器和后端母线电容的体积，延长电容寿命，还能将总功率分摊到多个模块上，从而降低单颗器件的电流应力，简化散热设计，与AI服务器的模块化和集群化需求高度契合 。

2.3 后级拓扑：LLC谐振变换器的高效之选

LLC谐振变换器是后级DC-DC拓扑中的主流选择。其核心优势在于利用谐振腔（由谐振电感、变压器和电容组成）实现主开关管的零电压开关（ZVS）和副边整流二极管的零电流开关（ZCS） 。这种“软开关”特性极大地降低了开关损耗，使其能够在高频、高功率密度和宽负载范围内维持极高的转换效率，优于传统的硬开关拓扑 。

LLC拓扑的另一大优势是其独特的磁性元件集成能力。变压器、谐振电感和励磁电感可以被集成到单个磁性结构中，从而节省PCB面积和成本，并简化电磁兼容（EMC）设计 。对于AI服务器的高功率需求，通常会选择全桥拓扑而非半桥拓扑，因为它能减少变压器所需的匝数比和铜损，且与前端的无桥图腾柱PFC可以完美匹配，形成完整的高效高功率密度架构 。

三、 SiC MOSFET的核心价值：赋能先进拓扑的引擎

3.1 SiC材料的物理特性与颠覆性优势

SiC MOSFET之所以能够成为先进电源拓扑的核心，源于其在材料物理特性上对传统硅（Si）的根本性超越。通过对关键参数的比较，可以清晰地看到其颠覆性优势：SiC的带隙能量是Si的3倍，击穿电场强度是Si的10倍，热导率是Si的3倍，电子饱和速度是Si的2倍 。这些并非孤立的优势，而是一个相互增强的生态系统，共同赋能系统级的性能提升。

高击穿电场强度使得在相同耐压等级下，SiC器件的漂移区可以做得更薄，从而大幅降低单位面积的导通电阻（RDS(on)）。

低导通电阻减少了传导损耗，直接提高了转换效率。

作为一种单极性器件，SiC MOSFET在开关过程中仅依赖多数载流子（电子）的漂移，因此不存在双极性器件（如IGBT）因少数载流子复合而产生的“拖尾电流” 。这一特性使得SiC的关断损耗极低，是其实现超高速开关的先决条件。

高电子饱和速度和低寄生电容（Coss,Crss）使得SiC器件能够以极高的频率进行开关 。

高开关频率带来了连锁反应。根据电磁感应定律U=N⋅Ae⋅ΔB⋅f，在给定的电压下，工作频率（f）越高，所需的磁芯截面积（Ae）和线圈匝数（N）就越小 。这就使得变压器和电感器等体积最大的无源元件得以实现极限小型化 。

高热导率和导通电阻随温度升高而略微上升的特性（PTC特性），简化了散热设计。特别是PTC特性，使得多个器件在并联工作时能够天然地实现均流，简化了高功率设计中的热管理 。

所有这些优势的综合作用，最终在系统层面实现了体积和重量的显著降低，并减少了冷却需求，从而带来了超越SiC器件本身更高价格的系统级成本节约 。

3.2 SiC MOSFET在无桥PFC中的决定性作用

SiC MOSFET在无桥PFC拓扑中的核心价值在于其对“反向恢复”问题的彻底解决。其体二极管拥有几乎为零的反向恢复电荷（Qrr），且恢复时间极短 。这使得快支路中的SiC开关在硬开关应用中能够高效工作，避免了传统Si器件所固有的巨大反向恢复损耗和潜在的热失效风险 。研究和产品数据也证实了这一点，例如BASiC半导体的B3M013C120Z和B3M020120ZL等产品，其关断能量（ Eoff）在高温下的典型值依然很低，且其体二极管性能已足够出色，尽管搭配外部SiC肖特基二极管（SBD）可实现进一步优化 。

此外，SiC的高频开关能力使得无桥PFC能够在100kHz甚至更高频率下稳定运行，这直接导致了升压电感体积的大幅缩小，是实现高功率密度设计的关键 。

3.3 在LLC谐振变换器中的核心价值

在LLC谐振变换器中，SiC MOSFET的核心价值体现在其对高频操作的完美支持。这主要归功于其超低电容和栅极电荷特性。

LLC变换器的效率和功率密度与开关频率紧密相关。要实现超高频（如兆赫兹MHz级）工作，开关器件必须能在极短时间内完成开关动作。SiC MOSFET的超低寄生电容（如C_{oss}和C_{rss}）和栅极电荷（Qg）极大地减少了开关过程中充放电所需的能量，从而显著降低了开关损耗，使其能够轻松工作在兆赫兹级别 。具体来说，低栅极电荷意味着驱动其开关所需的能量极小，使得栅极驱动电路更简单、速度更快 。

这种高速开关能力直接导致了无源器件的极限小型化。例如，一项研究表明，基于SiC的LLC变换器在500kHz开关频率下实现了98.5%的峰值效率和128W/in³的功率密度，这正是高频操作与磁性元件小型化协同作用的有力证明 。

四、 系统设计与技术实践：充分释放SiC潜能

4.1 数字控制：SiC的必要伴侣

为了充分释放SiC MOSFET的潜能，先进的电源拓扑必须与精密的控制策略相结合。传统的模拟控制已无法满足需求，而数字控制凭借其快速的控制回路、复杂的算法和全面的故障管理，成为SiC的必要伴侣 。

SiC的超高速开关特性带来了前所未有的高电压变化率（dV/dt）和高电流变化率（di/dt），这对系统可靠性构成了严峻挑战。例如，高dV/dt会引发强烈的共模噪声，可能导致下桥臂误开通，引发上下管“直通”短路 。高 di/dt则会引发严重的电压尖峰，威胁器件的长期可靠性 。

精密的数字控制，结合可配置的数字栅极驱动器，能够实时监测并响应这些瞬态事件。例如，数字驱动器可以提供多级“软着陆”关断，以降低电压尖峰，或通过“主动米勒钳位”功能防止误开通 。此外，数字控制还能实现混合模式控制（如TCM/CCM），根据负载情况动态切换工作模式，以在整个负载范围内保持最高效率 。

4.2 栅极驱动与PCB布局：从器件到系统

栅极驱动电路是连接控制芯片与功率器件的桥梁，对于SiC MOSFET的性能和可靠性至关重要。SiC栅极驱动器具有独特的电气要求，包括需要正负电源供电（通常为+18V/-5V）以确保器件可靠关断 、高驱动强度（通常大于10A）以实现快速开关 、以及高达100kV/µs的高共模瞬态抗扰度（CMTI）。

在SiC的高频开关应用中，一个看似微小却至关重要的设计细节是封装中的Kelvin源极引脚。传统的3引脚封装（Drain, Gate, Source）中，功率回路和栅极驱动回路共用同一个源极引脚。在高di/dt的功率回路中，引脚上的寄生电感会产生电压降，叠加到栅极驱动电压上，导致实际加到沟道上的电压与驱动信号不一致，影响开关性能和可靠性。SiC MOSFET的4引脚封装（如TO-247-4）新增了一个独立的Kelvin源极引脚 。该引脚仅用于栅极驱动器的参考地，使其能够直接感应并控制流经沟道的电流，从而消除功率回路寄生电感在栅极驱动电压上的负面影响，确保驱动信号的完整性 。这一设计细节是充分发挥SiC高频潜力的关键。

五、 展望未来：液冷、模块化与生态构建

5.1 液冷技术对电源设计的变革性影响

随着AI服务器机柜功率密度突破20kW，传统的空冷技术已无法满足散热需求，液冷方案（包括冷板式和浸没式）正加速渗透 。液冷技术通过液体作为冷却介质直接或间接接触发热器件，彻底改变了传统风扇冷却的模式 。

这将对电源模块设计带来深远影响。未来，电源模块的风扇将被取消，取而代之的是一个完全密封、无风扇的“盒子”，可直接浸入不导电的冷却液中 。在这种全新的散热环境中，电源内部元件的耐温性能和热管理能力将变得至关重要。SiC MOSFET凭借其高达175°C甚至更高的结温和出色的热导率，能够更有效地将热量传导至外壳，并通过液冷媒介散发，完美适应这一未来的散热趋势 。

5.2 供应链与生态系统建设

AI算力产业正朝着开放、开源、全球化的方向发展 。这将不仅推动以SiC为代表的国产化芯片的快速发展，也将促进围绕其构建的整个生态系统（包括驱动、控制、封装等）的建设 。随着SiC材料生产工艺的改进和规模化生产，其成本将逐步下降，从而推动其在更多应用领域的普及 。

六、 倾佳电子结论与行动建议

6.1 核心结论：SiC + 先进拓扑 + 数字控制的黄金三角

AI时代，算力电源的核心挑战是实现极高的功率密度与系统效率。研究表明，“无桥图腾柱PFC + LLC谐振变换器”已成为主流电源拓扑的黄金组合。其中，SiC MOSFET以其独特的材料物理特性，完美解决了传统硅器件在这一架构中的“反向恢复”和高频损耗问题，是实现该架构的决定性技术。同时，精密的数字控制和优化的栅极驱动设计，是充分释放SiC器件潜能、确保系统可靠性的关键。

6.2 案例分析与选型参考

下表汇总了BASiC半导体三款SiC MOSFET的关键参数，为电源设计工程师提供了具体的选型参考。

器件型号VDSID(TC=25∘C)RDS(on).typ@25°CRDS(on).typ@175°CEoff@25°CEoff@175°C封装典型应用B3M010C075Z750 V240 A10 mΩ12.5 mΩ625-720 μJ700-780 μJTO-247-4适用于较低耐压LLC，以及工业SMPSB3M013C120Z1200 V180 A13.5 mΩ23 mΩ530-590 μJ600-660 μJTO-247-4适用于高压PFC和全桥LLC，OBCB3M020120ZL1200 V127 A20 mΩ37 mΩ400-410 μJ400-410 μJTO-247-4L适用于高压PFC和全桥LLC，工业电源

深圳市倾佳电子有限公司（简称“倾佳电子”）是聚焦新能源与电力电子变革的核心推动者：

倾佳电子成立于2018年，总部位于深圳福田区，定位于功率半导体与新能源汽车连接器的专业分销商，业务聚焦三大方向：

新能源：覆盖光伏、储能、充电基础设施；

交通电动化：服务新能源汽车三电系统（电控、电池、电机）及高压平台升级；

数字化转型：支持AI算力电源、数据中心等新型电力电子应用。

公司以“推动国产SiC替代进口、加速能源低碳转型”为使命，响应国家“双碳”政策（碳达峰、碳中和），致力于降低电力电子系统能耗。

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6.3 展望与建议：面向未来的战略部署

面向未来的算力电源设计，建议采取以下战略部署：

技术路线：以“无桥图腾柱PFC + 全桥LLC”为核心拓扑，并积极拥抱SiC器件与数字控制。

设计实践：将栅极驱动、PCB布局和热管理作为核心考量，充分利用4引脚Kelvin源极封装的优势，并采用可配置的数字驱动器来应对高频开关带来的瞬态挑战。

未来趋势：关注液冷技术对电源设计的深远影响上海期货配资公司，前瞻性地开发能够适应无风扇、浸没式环境的电源模块，从而确保产品在未来的市场竞争中保持领先优势。

发布于：广东省

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