隨著數(shù)據(jù)中心及AI服務(wù)器的算力需求迅猛增長(zhǎng)，帶動(dòng)服務(wù)器電源功率呈幾何級(jí)上升，從過去常見的1～2kW提升至以3kW、5kW乃至8kW為主的階段，未來(lái)成熟系統(tǒng)甚至可能達(dá)到12kW及以上。

電源功率倍增對(duì)功率器件提出了更嚴(yán)苛的要求：前端PFC模塊要求極低的導(dǎo)通損耗，關(guān)鍵器件封裝需盡可能減小體積，二次側(cè)同步整流等也對(duì)低壓MOSFET的性能與散熱帶來(lái)更高要求。

與此同時(shí)，隨著英偉達(dá)等廠商大力推進(jìn)800?V高壓直流供電架構(gòu)(HVDC)，交流電源可直接一次性轉(zhuǎn)換為約800?V的高壓直流，以構(gòu)建更高效的數(shù)據(jù)中心電源鏈路，這對(duì)高壓功率器件尤其是SiC、GaN等提出了更高的性能要求。

面對(duì)這些趨勢(shì)與挑戰(zhàn)，東芝半導(dǎo)體以器件性能提升與結(jié)構(gòu)創(chuàng)新來(lái)構(gòu)建“適配性”差異化策略。

在產(chǎn)品線上，東芝半導(dǎo)體強(qiáng)調(diào)其全覆蓋、多規(guī)格的設(shè)計(jì)理念：擁有業(yè)內(nèi)“第一梯隊(duì)”的導(dǎo)通電阻性能，覆蓋20~1200V甚至更高電壓范圍，并提供豐富多樣的封裝選擇以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景。

本文將從“適配性”主線出發(fā)，圍繞SiC、GaN、低壓MOSFET三大類，深入分析東芝半導(dǎo)體在結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、參數(shù)優(yōu)化及實(shí)際應(yīng)用中的適配價(jià)值，揭示其如何通過功率器件的創(chuàng)新支持高效電源系統(tǒng)的發(fā)展。

01 溝槽型結(jié)構(gòu)降低導(dǎo)阻、嵌入SBD抑制漂移，東芝半導(dǎo)體SiC MOSFET的兩大差異化創(chuàng)新

東芝半導(dǎo)體在SiC功率器件領(lǐng)域持續(xù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)層面的創(chuàng)新，以提升功率器件性能與可靠性。例如最新研發(fā)的新型溝槽型SiC MOSFET結(jié)構(gòu)相比傳統(tǒng)平面結(jié)構(gòu)大幅降低了導(dǎo)通電阻：在相同條件下測(cè)得的導(dǎo)通電阻比傳統(tǒng)平面SiC MOSFET降低約20%。

此外，東芝半導(dǎo)體還提出了碳化硅超級(jí)結(jié)(SJ)肖特基二極管結(jié)構(gòu)。該SJ結(jié)構(gòu)SBD在高溫(175℃)下測(cè)試時(shí)，其導(dǎo)通電阻較常規(guī)SiC肖特基二極管降低了約35%。這些結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新，有助于提升功率器件在高壓、重載條件下的導(dǎo)電效率和熱穩(wěn)定性。

在第三代SiC MOSFET中，東芝半導(dǎo)體集成SiC肖特基二極管(embedded SBD)于MOSFET中。傳統(tǒng)SiC MOSFET中體二極管導(dǎo)通時(shí)會(huì)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，引發(fā)晶體缺陷的擴(kuò)增大和電阻漂移;東芝通過利用MOSFET單元間間隙集成肖特基二極管，使得大電流流經(jīng)內(nèi)置肖特基路徑，從而避免體二極管的雙載流子而引發(fā)的退化機(jī)制。

數(shù)據(jù)表明，一般功率器件在250?A/cm2恒定應(yīng)力下數(shù)小時(shí)后RDS(on)會(huì)發(fā)生明顯漂移，而采用嵌入肖特基的器件RDS(on)幾乎穩(wěn)定保持在1%以內(nèi)，顯著提升了功率器件在重復(fù)開關(guān)和高功率工作下的可靠性。

此外，通過優(yōu)化JFET區(qū)寬度和在P型襯底注入氮等工藝，東芝半導(dǎo)體第三代SiC MOSFET大幅減小了雜散結(jié)電容Qgd，提升了開關(guān)速度;同時(shí)具有寬柵極驅(qū)動(dòng)電壓范圍(–10?V至25?V)，高開啟電壓(約為3~5V)的特性，可實(shí)現(xiàn)0V完全關(guān)斷且高溫漂移小。

這意味著無(wú)需負(fù)壓驅(qū)動(dòng)即可可靠關(guān)斷，驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)潔，適應(yīng)了行業(yè)常見的三級(jí)驅(qū)動(dòng)架構(gòu)。

為提高功率器件在熱條件下的性能，東芝半導(dǎo)體還采用了負(fù)溫度系數(shù)的漂移層設(shè)計(jì)，使得SiC MOSFET隨結(jié)溫升高時(shí)導(dǎo)通損耗反而略有下降。

此外，針對(duì)高溫加速老化(HTRB)等可靠性測(cè)試，東芝半導(dǎo)體優(yōu)化氧化層質(zhì)量與器件缺陷率，數(shù)據(jù)結(jié)果顯示在1000小時(shí)的高加速測(cè)試中，漏電少于百萬(wàn)分之一，可見其可靠性與壽命顯著優(yōu)于常規(guī)硅MOSFET。

這一系列失效控制和優(yōu)化措施共同保證了SiC功率器件在高溫、高壓應(yīng)用中的穩(wěn)定性和適用壽命。

在高功率應(yīng)用方面，東芝半導(dǎo)體還擁有成熟的模塊化封裝技術(shù)：包括全密封壓接的壓鑄式IEGT模塊(PPI)、智能柔性SiC模塊(iXPLV)以及新型HV-MCP多芯片封裝，實(shí)現(xiàn)更小的體積和更高的功率密度。

由此可見，東芝半導(dǎo)體SiC功率器件通過持續(xù)的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新與封裝優(yōu)化等差異化設(shè)計(jì)，在高功率電源系統(tǒng)中提供了更低損耗、更高可靠性和更寬應(yīng)用邊界的解決方案，實(shí)現(xiàn)了面向AI服務(wù)器等新興應(yīng)用的高度適配性。

02 LLC效率97.9%、PFC達(dá)98.6%，東芝半導(dǎo)體GaN面向高頻高密度電源的應(yīng)用及效率表現(xiàn)

氮化鎵(GaN)具有高電子遷移率和高飽和電子速度，使其在高頻高效開關(guān)應(yīng)用中備受關(guān)注。東芝半導(dǎo)體針對(duì)電源級(jí)GaN功率器件進(jìn)行了量產(chǎn)化布局和創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

東芝半導(dǎo)體推出的首款GaN功率器件為650?V耐壓，典型RDS(on)=35?mΩ的低損耗開關(guān)管(QFN9×9封裝)，該器件目前已有工程樣品發(fā)布，并計(jì)劃于2025年第三季度推出商用樣品。

東芝半導(dǎo)體GaN功率器件為常開型GaN+低壓P溝道MOS組成的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu);為兼顧高開關(guān)速度與易用性，東芝GaN器件采用了“直驅(qū)型”設(shè)計(jì)：允許使用外部柵極電阻(Rg)來(lái)靈活調(diào)節(jié)器件的dv/dt斜率，從而方便抑制電磁干擾和優(yōu)化開關(guān)性能。

在大功率開關(guān)電源應(yīng)用中，東芝半導(dǎo)體GaN功率器件表現(xiàn)出了顯著的效率優(yōu)勢(shì)。

其評(píng)估結(jié)果顯示，使用東芝半導(dǎo)體35mΩ GaN MOSFET的2.0?kW全橋LLC諧振變換器評(píng)估板，峰值效率可達(dá)97.9%;在3.0kW圖騰柱PFC評(píng)估板中，采用東芝GaN MOSFET的系統(tǒng)峰值效率達(dá)到98.6%。

數(shù)據(jù)表明，即使在滿載情況下，東芝半導(dǎo)體GaN功率器件也能保持很高的效率，充分發(fā)揮低導(dǎo)通損耗和低開關(guān)損耗的特性。對(duì)于需要高效率和高功率密度的服務(wù)器電源前端與DC-DC轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)，采用東芝半導(dǎo)體GaN器件能夠?qū)崿F(xiàn)顯著的能量節(jié)約和降低散熱負(fù)擔(dān)。

東芝半導(dǎo)體GaN功率器件憑借高開關(guān)性能和易用性特性，在適配現(xiàn)代大功率電源系統(tǒng)中具有較強(qiáng)的能力。其高輸出峰值電流能力和高CMTI性能為抑制噪聲突變提供了保證;內(nèi)置高電平閾值驅(qū)動(dòng)，降低了在高密度板上自激誤導(dǎo)通的風(fēng)險(xiǎn)。

例如，東芝半導(dǎo)體首款650V GaN功率器件采用了門極閾值約–11V的設(shè)計(jì)，這意味著即便快速切換時(shí)產(chǎn)生較大dv/dt干擾，上管也不易被誤觸發(fā)。同時(shí)，外部?jī)H需少量外部元件(如柵極電阻)即可實(shí)現(xiàn)器件的dv/dt調(diào)控，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。

由此可見，東芝半導(dǎo)體GaN適配于各種高效開關(guān)電源場(chǎng)景，如服務(wù)器AC-DC前端、LLC諧振變換器、同步整流調(diào)節(jié)器等，在保障效率的同時(shí)提供靈活的系統(tǒng)集成方案。

03 U-MOS降導(dǎo)阻、新SOP封裝提電流，東芝半導(dǎo)體低壓MOS解決高密度DC-DC散熱瓶頸

在低壓MOSFET領(lǐng)域，東芝半導(dǎo)體推出了新一代U-MOS系列功率器件，通過材料與結(jié)構(gòu)的協(xié)同優(yōu)化提升性能。

比如U-MOSⅪ系列大幅改善RDS(on)、Qg的同時(shí)還提升了反向恢復(fù)特性Qrr。最新產(chǎn)品線包括40V、80V、100V、150V等多種額定電壓功率器件：典型代表如U-MOSⅪ-H 100V封裝為5×6?mm2，不僅具有低RDS(on)、低Qg還具有低Qrr的特征，總體性能更優(yōu)，并贏得了客戶的贊譽(yù)。

這些功率器件在導(dǎo)通損耗與開關(guān)損耗之間取得了更優(yōu)平衡，為服務(wù)器二次側(cè)DC-DC等應(yīng)用提供了高效的低壓開關(guān)解決方案。

此外，為了應(yīng)對(duì)服務(wù)器電源需要高功率密度的趨勢(shì)，東芝半導(dǎo)體開發(fā)了多種進(jìn)階封裝技術(shù)來(lái)提升LVMOS模塊的載流和散熱能力。

SOP Advance(E)封裝即是其中一例：它兼容傳統(tǒng)5×6?mm2規(guī)格，但通過內(nèi)置互聯(lián)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了比標(biāo)準(zhǔn)SOP5x6封裝多23%的芯片面積和高達(dá)180?A的額定電流，并將封裝電阻降低約33%、熱阻降低約15%。

采用這種封裝的MOSFET能以較低的結(jié)溫實(shí)現(xiàn)更大的輸出功率，使得結(jié)構(gòu)更為緊湊，實(shí)現(xiàn)更高的功率密度。例如，在同一封裝面積下，SOP Advance(E)能夠承載更高電流而不超溫，對(duì)機(jī)架式電源板上空間極為寶貴的布局尤為適用。

東芝半導(dǎo)體同時(shí)還推出了多款接近業(yè)界領(lǐng)先的L-TOGL(低阻抗TO-220)和雙面散熱封裝等，以滿足不同功率級(jí)熱管理需求。

04總結(jié)

面向新一代服務(wù)器和高效供電系統(tǒng)的需求，東芝半導(dǎo)體通過“結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、性能提升+多場(chǎng)景覆蓋”的策略，構(gòu)建了其產(chǎn)品的強(qiáng)大適配能力。

無(wú)論是從SiC和GaN這類寬禁帶半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、封裝升級(jí)，還是從新一代低壓MOSFET的性能提升、封裝革新，東芝半導(dǎo)體都下足功夫，其豐富的產(chǎn)品線適配多種電源架構(gòu)中的靈活應(yīng)用。

例如，新型溝槽SiC MOSFET與內(nèi)置SJ-SBD極大降低了高壓PFC和DC-DC轉(zhuǎn)換的導(dǎo)通損耗;高效GaN MOSFET和評(píng)估板驗(yàn)證了極致的轉(zhuǎn)換效率;U-MOSⅪ-H系列MOSFET和SOP Advance(E)封裝幫助客戶提升功率密度。

這些功率器件的能力實(shí)現(xiàn)了可適應(yīng)多種電源拓?fù)渑c載荷條件的目標(biāo)——正是適配的具體體現(xiàn)。

展望未來(lái)，隨著電源架構(gòu)持續(xù)演進(jìn)，東芝半導(dǎo)體通過持續(xù)的創(chuàng)新和研發(fā)投入(如SiC超級(jí)結(jié)結(jié)構(gòu)MOSFET和SiC IGBT的專利申請(qǐng))，將進(jìn)一步強(qiáng)化其功率器件在高效電源系統(tǒng)中的適配價(jià)值，為客戶提供更豐富、更可靠的功率器件選項(xiàng)。