數(shù)據(jù)中心UPS要求SiC技術(shù)

與傳統(tǒng)的基于硅的功率器件和其他替代品相比，基于 SiC 的技術(shù)能夠顯著提高能源效率。

在數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施要求以盡可能低的成本提供高效、可靠電力的推動(dòng)下，預(yù)計(jì)不間斷電源 (UPS) 市場(chǎng)將在未來幾年顯著增長。隨著全球經(jīng)濟(jì)朝著更大的數(shù)字化方向發(fā)展，公司正在投資新的數(shù)據(jù)中心，以滿足對(duì)基于云的服務(wù)不斷增長的需求。UPS 是這項(xiàng)工作的關(guān)鍵組件，可幫助公司避免電源電壓故障或中斷對(duì)其運(yùn)營造成的潛在災(zāi)難性影響。電源冗余是確保數(shù)據(jù)中心運(yùn)營連續(xù)性和可靠性的關(guān)鍵，最大化數(shù)據(jù)中心的電源使用效率 (PUE) 是每個(gè)企業(yè)家和運(yùn)營經(jīng)理的首要目標(biāo)。

為此，與傳統(tǒng)的硅基功率器件和其他替代品相比，基于碳化硅 (SiC) 的技術(shù)能夠顯著提高能源效率。

VFI UPS 系統(tǒng)

隨著能效標(biāo)準(zhǔn)變得更加嚴(yán)格，以滿足對(duì)高端消費(fèi)電子產(chǎn)品、無線通信、電動(dòng)汽車 (EV)、綠色能源、數(shù)據(jù)中心以及工業(yè)和消費(fèi)物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 不斷增長的需求，功率器件變得越來越重要應(yīng)用程序。半導(dǎo)體制造商的回應(yīng)是在電子產(chǎn)品生產(chǎn)的各個(gè)方面改善能源使用，包括收集、交付、處理、存儲(chǔ)和消耗電力。

在數(shù)據(jù)中心中，與在任何其他具有高技術(shù)含量的環(huán)境中一樣，穩(wěn)定、持續(xù)的電力供應(yīng)至關(guān)重要。電壓和頻率無關(guān) (VFI) UPS 系統(tǒng)通常用于滿足這一要求（圖 1）。VFI UPS 設(shè)備由 AC/DC 轉(zhuǎn)換器（整流器）、DC/AC 轉(zhuǎn)換器（逆變器）和 DC 鏈路組成。旁路開關(guān)直接將 UPS 輸出連接到輸入交流電壓源，主要用于維護(hù)期間。此連接也用于稱為生態(tài)模式（下文討論）的操作模式。電池通常由多個(gè)電池組成，連接到降壓或升壓轉(zhuǎn)換器，并在主電源出現(xiàn)故障時(shí)為電源供電。

中級(jí)UPS的輸出功率為幾百kVA，輸出電流為幾百安培，標(biāo)稱電壓為三相480V，頻率為50/60Hz。圖 1中的器件也被描述為雙轉(zhuǎn)換電路，因?yàn)檩斎攵说慕涣麟妷菏紫绒D(zhuǎn)換為直流電壓，然后再轉(zhuǎn)換為完美的正弦交流輸出電壓。其作用是消除供電電壓的任何波動(dòng)，使UPS能夠?yàn)樨?fù)載提供穩(wěn)定、干凈的信號(hào)。電壓轉(zhuǎn)換過程還將系統(tǒng)與電源隔離，保護(hù)負(fù)載免受電壓下降或尖峰的影響。

直到最近，使用具有三電平開關(guān)拓?fù)涞慕^緣柵雙極晶體管 (IGBT) 獲得了效率方面的最佳結(jié)果。該解決方案可以實(shí)現(xiàn) 96% 的效率水平，與以前基于變壓器的模型相比有明顯改進(jìn)。

生態(tài)模式

在這種操作模式（也稱為多模式）中，逆變器和整流器電路保持在“離線”狀態(tài)，或者不是公共電源路徑的一部分。因此，在正常情況下，負(fù)載直接由電源電壓供電。啟用生態(tài)模式時(shí)使用的電源路徑對(duì)應(yīng)于圖 1中所示的“旁路”路徑（用虛線標(biāo)記）。UPS 持續(xù)監(jiān)控輸入電源電壓的狀態(tài)，一旦發(fā)生中斷，由雙轉(zhuǎn)換電路組成的“在線”電源路徑會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)。

圖 1：VFI UPS 的簡化框圖（圖片：施耐德電氣）

引入該模式是為了減少功率吸收（逆變器和整流器僅在發(fā)生故障時(shí)才開啟），旨在提高效率。但需要注意的是，效率提升僅為 1% 左右，因此許多數(shù)據(jù)中心運(yùn)營商更喜歡傳統(tǒng)的解決方案，在這種解決方案中，始終保證正確供應(yīng)負(fù)載而不會(huì)出現(xiàn)任何中斷。

基于 SiC 的 UPS

最近，在 UPS 功率級(jí)中使用碳化硅晶體管使效率顯著提高，其值超過 98%，并且?guī)缀跖c負(fù)載使用百分比無關(guān)。圖 2顯示了與基于 SiC 器件的商用 UPS 相關(guān)的典型效率曲線。請(qǐng)注意，效率保持在 98% 以上，負(fù)載使用百分比高于 30% 的曲線幾乎平坦。

圖 2：基于 SiC 的 UPS 的效率曲線（圖片：三菱）

由于寬帶隙 (WBG) 半導(dǎo)體（碳化硅所屬的材料類別）的特性，可以獲得這種類型的結(jié)果。與 MOSFET 和 IGBT 等傳統(tǒng)硅基器件相比，WBG 半導(dǎo)體可以在更高的溫度、頻率和電壓下工作?；?SiC 的器件的功率損耗最多可降低 70%，獲得等于或大于 98.6% 的效率值，并且與負(fù)載無關(guān)?；?SiC 的 UPS 的另一個(gè)好處是更好的熱損失值（或散熱），它可以在更高的溫度下運(yùn)行。此功能使設(shè)計(jì)人員可以采用更緊湊、更經(jīng)濟(jì)的冷卻解決方案。總體而言，基于 SiC 的 UPS 比具有硅基組件的同等型號(hào)更高效、更輕且更小。

碳化硅器件

ROHM Semiconductor 提供一系列適用于實(shí)現(xiàn)高效 UPS 系統(tǒng)的 SiC 器件。與硅 IGBT 相比，其第三代 SiC 溝槽 MOSFET 在 30 kHz 的開關(guān)頻率下可減少 73% 的功率損耗，并減少 50% 的導(dǎo)通電阻。ROHM 的產(chǎn)品組合還包括 SiC 肖特基勢(shì)壘二極管 (SBD) 和集成了 SiC MOSFET 和 SBD 的“全 SiC”功率模塊。

Wolfspeed 是寬帶隙半導(dǎo)體的領(lǐng)先制造商，已開發(fā)出基于 SiC 技術(shù)的 1,200-V、450-A 半橋模塊。據(jù)說 XM3 電源模塊可最大限度地提高功率密度，同時(shí)最大限度地減少環(huán)路電感并實(shí)現(xiàn)簡單的電源總線。XM3 的 SiC 優(yōu)化封裝可實(shí)現(xiàn) 175°C 的連續(xù)結(jié)操作，采用高可靠性氮化硅 (Si3N4) 功率基板，可確保極端條件下的機(jī)械穩(wěn)健性。XM3 適用于要求苛刻的應(yīng)用，例如 EV 充電器、UPS 系統(tǒng)和牽引驅(qū)動(dòng)器。

圖 3：NCD57000 框圖（圖片：ON Semiconductor）

ON Semiconductor 提供一系列隔離式大電流 IGBT 驅(qū)動(dòng)器電路。NCD(V)57000 系列驅(qū)動(dòng)器旨在用于電力應(yīng)用，包括光伏逆變器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和 UPS 系統(tǒng)，以及汽車應(yīng)用，例如動(dòng)力總成/高性能變矩器 (PTC) 變速器和加熱器。NCD(V)57000 系列電路的組件驅(qū)動(dòng)單通道大電流 IGBT，其內(nèi)部電流安全絕緣專門設(shè)計(jì)用于保證在需要高可靠性的電力應(yīng)用中的高運(yùn)行效率（圖 3）。

審核編輯：湯梓紅