数据中心用碳化硅半导体

在数据中心基础设施对以尽可能低的成本提供高效、可靠电力的要求的推动下，不间断电源 (UPS) 市场预计将在未来几年显着增长。随着全球经济朝着更加数字化的方向发展，公司正在投资新的数据中心，以满足对基于云的服务不断增长的需求。UPS 是这项工作的关键组成部分，可帮助公司避免电源电压故障或运营中断造成的潜在灾难性影响。电源冗余是确保数据中心运营连续性和可靠性的关键，最大限度地提高数据中心的电力使用效率 (PUE) 是每个企业家和运营经理的主要目标。

为此，与传统的基于硅的功率器件和其他替代方案相比，基于碳化硅 (SiC) 的技术正在显着提高能源效率。

VFI UPS 系统

随着能效标准变得越来越严格以满足对高端消费电子、无线通信、电动汽车 (EV)、绿色能源、数据中心以及工业和消费物联网 (IoT) 应用不断增长的需求，功率器件变得越来越重要. 半导体制造商已通过改进电子产品生产各个方面的能源使用来做出回应，包括电力的收集、交付、处理、存储和消耗。

在数据中心，如同在任何其他具有高技术含量的环境中一样，稳定、持续的电力供应是必不可少的。电压和频率无关 (VFI) UPS 系统通常用于满足这一要求（图 1）。VFI UPS 设备由 AC/DC 转换器（整流器）、DC/AC 转换器（逆变器）和 DC 链路组成。旁路开关将 UPS 输出直接连接到输入交流电压源，主要在维护期间使用。此连接也用于称为生态模式（下文讨论）的操作模式。电池通常由几个电池组成，连接到降压或升压转换器，并在主电源出现故障时为电源供电。

中档UPS输出功率为数百kVA，输出电流为数百安培，三相标称电压为480V，频率为50/60Hz。图 1 中的设备也被描述为双转换电路，因为输入端的交流电压首先转换为直流电压，然后再次转换为完美的正弦交流输出电压。其作用是消除电源电压的任何波动，使 UPS 能够为负载提供稳定、干净的信号。电压转换过程还将系统与电源隔离，保护负载免受电压下降或尖峰的影响。

直到最近，使用具有三电平开关拓扑结构的绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 才能获得效率方面的最佳结果。该解决方案可以实现 96% 的效率水平，与之前基于变压器的模型相比有了明显的改进。

环保模式

在这种工作模式下，也称为多模式，逆变器和整流器电路保持在“离线”状态或不是公共电源路径的一部分。因此，在正常情况下，负载直接由电源电压供电。启用生态模式时使用的电源路径对应于图 1 中所示的“旁路”路径（用虚线标记）。输入电源电压的状态由 UPS 持续监控，如果发生中断，由双转换电路组成的“在线”电源路径会自动激活。

图 1：VFI UPS 的简化框图（图片：施耐德电气）

引入这种模式是为了减少功率吸收（逆变器和整流器仅在出现故障时才开启），旨在提高效率。然而，应该注意的是，效率提升只有 1% 左右，因此许多数据中心运营商更喜欢传统的解决方案，在这种解决方案中，始终确保负载正确供电，不会出现任何中断。

基于 SIC 的 UPS

最近，在 UPS 功率级中使用碳化硅晶体管显着提高了效率，其值超过 98%，并且几乎不受负载使用百分比的影响。图 2 显示了与基于 SiC 器件的商用 UPS 相关的典型效率曲线。请注意，效率保持在 98% 以上，负载使用百分比高于 30% 时曲线几乎平坦。

图 2：基于 SiC 的 UPS 的效率曲线（图片：三菱）

由于宽带隙 (WBG) 半导体（碳化硅所属的材料类别）的特性，可以获得此类结果。与传统的硅基器件（例如 MOSFET 和 IGBT）相比，WBG 半导体可以在更高的温度、频率和电压下运行。基于 SiC 的器件的功率损耗可降低多达 70%，从而获得等于或大于 98.6% 的效率值，并且与负载无关。基于 SiC 的 UPS 的另一个好处是具有更好的热损失值（或排热），从而能够在更高的温度下运行。此功能使设计人员可以采用更紧凑、更经济的冷却解决方案。总体而言，基于 SiC 的 UPS 比具有硅基组件的等效型号更高效、更轻、更小。

碳化硅器件

ROHM Semiconductor 提供一系列适用于实现高效 UPS 系统的 SiC 器件。与硅 IGBT 相比，其第三代 SiC 沟槽 MOSFET 在 30 kHz 的开关频率下可将功率损耗降低 73%，并将导通电阻降低 50%。完善 ROHM 的产品组合是 SiC 肖特基势垒二极管 (SBD) 和“全 SiC”功率模块，它们集成了 SiC MOSFET 和 SBD。

Wolfspeed 是宽带隙半导体的领先制造商，已开发出基于 SiC 技术的 1,200V、450A 半桥模块。据称，XM3 电源模块可最大限度地提高功率密度，同时最大限度地降低回路电感并实现简单的电源总线。XM3 的 SiC 优化封装可实现 175°C 的连续结运行，并具有高可靠性的氮化硅 (Si3N4) 功率基板，以确保极端条件下的机械稳健性。XM3 适用于要求严苛的应用，例如 EV 充电器、UPS 系统和牵引驱动器。

图 3：NCD57000 的框图（图片：ON Semiconductor）

安森美半导体提供一系列隔离式大电流 IGBT 驱动器电路。NCD(V)57000 系列驱动器旨在用于电力应用，包括光伏逆变器、电机驱动器和 UPS 系统，以及汽车应用，例如动力系统/性能变矩器 (PTC) 变速器和加热器。NCD(V)57000 系列电路的组件驱动单通道大电流 IGBT，内部电流安全绝缘专门设计用于保证要求高可靠性的电源应用中的高运行效率（图 3）。

审核编辑 黄昊宇