碳化硅提高雙轉(zhuǎn)換UPS效率和功率密度

對(duì)于當(dāng)今的大多數(shù)企業(yè)來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)中心的平穩(wěn)運(yùn)行是企業(yè)的生命線(xiàn)。不斷增加的云計(jì)算和虛擬化正在幫助服務(wù)器設(shè)施的發(fā)展，這些設(shè)施消耗了全球2%以上的電能。僅在美國(guó)，數(shù)據(jù)中心就消耗90太瓦時(shí)的電力，可以充分利用約30個(gè)大型燃煤電廠(chǎng)。

這種功耗規(guī)模促使政府考慮制定法規(guī)來(lái)控制功率因數(shù)（PF）和效率。例如，歐盟數(shù)據(jù)中心行為準(zhǔn)則鼓勵(lì)參與者以具有成本效益的方式降低能耗。阿拉伯?dāng)?shù)字

設(shè)計(jì)可靠、高效且具有成本效益的UPS解決方案是數(shù)據(jù)中心等商業(yè)設(shè)置的關(guān)鍵考慮因素，其中通常使用雙轉(zhuǎn)換系統(tǒng)每周24天，每天<>小時(shí)提供恒定電壓和恒定頻率。

什么是雙轉(zhuǎn)換UPS？

雙轉(zhuǎn)換 UPS 架構(gòu)包括一個(gè)有源前端 （AFE） 或整流器、一個(gè) DC/DC 轉(zhuǎn)換器和一個(gè)逆變器（圖 1）。在正常功率流中，小電流進(jìn)入維持電池充電的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。大部分電力通過(guò)直流母線(xiàn)發(fā)送到逆變器，在那里它為負(fù)載供電。這給拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)起了名字，因?yàn)檎髌骷词乖诮涣麟娋W(wǎng)供電時(shí)也會(huì)驅(qū)動(dòng)逆變器。

圖1：具有儲(chǔ)能功能的直流母線(xiàn)將負(fù)載與電網(wǎng)解耦，雙轉(zhuǎn)換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)即使在電網(wǎng)不穩(wěn)定的情況下也能提供清潔電源

在電源故障下，AFE 停止開(kāi)關(guān)，DC/DC 轉(zhuǎn)換器將電池的電力發(fā)送到逆變器以饋送負(fù)載。存儲(chǔ)在電池中的能量也可用于補(bǔ)償不良負(fù)載和電網(wǎng)側(cè)電能質(zhì)量。

AFE和逆變器具有相似的配置，每個(gè)都使用三個(gè)半橋轉(zhuǎn)換器，每相一個(gè)。AFE調(diào)節(jié)電流，而逆變器調(diào)節(jié)交流輸出上的電流和電壓。雙向 DC/DC 轉(zhuǎn)換器包括兩個(gè)半橋電源模塊，用于升壓至電池以及從電池降壓至 DC 母線(xiàn)。

固態(tài)硅與固態(tài)氮化硅在UPS設(shè)計(jì)中的比較

目前有多種組件技術(shù)可供選擇，可用于設(shè)計(jì)典型的 200 kW 雙轉(zhuǎn)換 UPS 系統(tǒng)。雖然硅絕緣柵雙極晶體管（IGBT）已用于此類(lèi)系統(tǒng)，但碳化硅（SiC）在效率、功率密度和成本效益方面勝過(guò)高壓電源解決方案中的硅。3

基于IGBT的同類(lèi)最佳硅設(shè)計(jì)（圖2）使用開(kāi)關(guān)頻率為8 kHz的功率模塊，以最大限度地權(quán)衡系統(tǒng)尺寸和系統(tǒng)損耗。這些模塊需要一個(gè)散熱器和推桿和拉拔器風(fēng)扇，以產(chǎn)生足夠的氣流來(lái)管理系統(tǒng)熱量。

AFE 中每個(gè)模塊的損耗高達(dá) 1.1 kW，在 130°C 的外殼溫度 （Tc） 下，IGBT 和二極管結(jié)溫 （Tj） 分別達(dá)到 140°C 和 40°C。 該設(shè)計(jì)需要 6.4 L 的散熱器和風(fēng)扇體積才能耗散如此大的功率。

圖2：基于IGBT的設(shè)計(jì)需要每個(gè)模塊一個(gè)大散熱器和兩個(gè)風(fēng)扇。

對(duì)于DC/DC轉(zhuǎn)換器，每個(gè)模塊的損耗約為590 W。二極管Tj在75°C時(shí)較低，而IGBT Tj上升至136°C。 DC/DC 轉(zhuǎn)換器不僅需要 3 L 散熱器和風(fēng)扇，還需要 1.9 L 的 100μH 電感器，功耗高達(dá) 182 W 以及 3.6 L 2.32 mF 電解電容器。

圖3：Wolfspeed 的 XM3 SiC 電源模塊采用相同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，允許 UPS 使用 25 kHz 的更高開(kāi)關(guān)頻率。

SiC 功率模塊可用于相同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（圖 3），通過(guò)一些優(yōu)化，可將開(kāi)關(guān)頻率提高到 25 kHz，并提供引人注目的優(yōu)勢(shì)：

每個(gè)模塊基于SiC的AFE損耗降至僅662 W。

額定溫度高達(dá) 175°C，SiC 模塊可以運(yùn)行得更熱，并達(dá)到 164°C @ Tc 40°C 的 Tj。

由于 SiC MOSFET 集成了體二極管，因此模塊不需要額外的二極管，因此更小。

隨著模塊運(yùn)行溫度更高，系統(tǒng)損耗顯著降低，因此需要一個(gè)只有一個(gè)風(fēng)扇的更小散熱器來(lái)進(jìn)行熱量管理。這將每個(gè)模塊的冷卻系統(tǒng)容積降低到 3.7 L。

在DC/DC轉(zhuǎn)換器中使用SiC的一個(gè)主要好處是能夠使用同步開(kāi)關(guān)，而大多數(shù)IGBT處于劣勢(shì)，因?yàn)樗鼈儾荒茉诘谌笙迋鲗?dǎo)。SiC 不使用二極管，而是反向使用 MOSFET 溝道，從而降低系統(tǒng)中的傳導(dǎo)損耗。因此，該轉(zhuǎn)換器具有以下優(yōu)點(diǎn)

低得多的單模塊功率損耗，僅為 284 W

允許更高的 MOSFET Tj 為 143°C @ Tc 40°C

冷卻系統(tǒng)容積僅為 1.9 L

電感器要求大幅降低至 1.2 L，消耗 30 W 功率，功耗為 137 μH

更高的頻率意味著薄膜電容器在 1.2 L 的 740 μF 電容下顯著節(jié)省，這也有助于提高電解電容器的系統(tǒng)可靠性/使用壽命

碳化硅的優(yōu)勢(shì)

基于IGBT和Wolfspeed XM3模塊的雙轉(zhuǎn)換UPS的逐個(gè)組件比較（圖3）顯示了SiC系統(tǒng)的明顯優(yōu)勢(shì)：

損耗減少 40%，冷卻量減少 42%，熱解決方案成本降低 43%

電感尺寸減小37%，電感損耗降低20%，電感成本降低23%

電容器體積減少 67%，電容器成本降低 66%

來(lái)自碳化硅的系統(tǒng)級(jí)增益

除了最大限度地提高效率外，UPS還必須提供儲(chǔ)能緩沖器以承受斷電和其他問(wèn)題，包括浪涌和掉電，通過(guò)提供極低的THD電流和高PF來(lái)最大限度地減少電能質(zhì)量問(wèn)題，最大限度地降低組件成本，并縮小系統(tǒng)體積以節(jié)省高租金空間或?yàn)轭~外的電池騰出空間。

Wolfspeed 的 XM3 功率模塊在體積、損耗和成本方面的優(yōu)勢(shì)意味著，基于 200 kW SiC 的系統(tǒng)將為無(wú)源器件節(jié)省 35% 的物料清單 （BoM） 成本，并節(jié)省 38% 的損耗，這意味著每年減少 26 MWh 或 2，591 美元，每千瓦時(shí) 0.10 美元。

這一優(yōu)勢(shì)還延伸到電能質(zhì)量。通過(guò)系統(tǒng)仿真進(jìn)行的SiC與IGBT比較（圖4）表明，硅的較低開(kāi)關(guān)頻率（8 kHz）限制了其對(duì)負(fù)載變化的響應(yīng)，需要16.4 ms才能建立?；?SiC 的系統(tǒng)具有 3× 更高的頻率，使其在 3.4 ms 內(nèi)以 9× 的速度抑制負(fù)載。

圖5：負(fù)載階躍為10%至100%的系統(tǒng)仿真表明，與IGBT相比，SiC MOSFET的建立時(shí)間明顯更快。

這種性能水平可通過(guò) Wolfspeed 的三相逆變器參考設(shè)計(jì) CRD250DA12E-XM3 進(jìn)行評(píng)估，該設(shè)計(jì)提供 250 kW 峰值輸出功率、900V 直流母線(xiàn)（最大值）和 300 ARMS 相電流（最大值），重量小巧輕便的 9.3 L 和 6.2 kg。

審核編輯：郭婷