SiC技術(shù)走入數(shù)據(jù)中心UPS

數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施需要以盡可能低的成本提供高效、可靠的電力，這可能會(huì)驅(qū)動(dòng)不間斷電源（UPS）市場在未來幾年蓬勃發(fā)展。隨著全球經(jīng)濟(jì)向數(shù)字化不斷邁進(jìn)，基于云平臺的服務(wù)需求越來越旺盛，很多公司開始投資新的數(shù)據(jù)中心。UPS電源是其中的關(guān)鍵部分，可以幫助它們避免市電電壓故障或中斷可能對其運(yùn)營帶來的災(zāi)難性影響。電源冗余對于確保數(shù)據(jù)中心運(yùn)營的連續(xù)性和可靠性至關(guān)重要，最大限度地提高數(shù)據(jù)中心的電源使用效率（PUE）已成為每個(gè)企業(yè)的主要目標(biāo)。

與傳統(tǒng)的硅功率器件和其他方案相比，碳化硅（SiC）技術(shù)可極大提升數(shù)據(jù)中心的能源效率。

VFI UPS系統(tǒng)

隨著市場對高端消費(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）應(yīng)用的需求不斷增加，能效標(biāo)準(zhǔn)變得更加嚴(yán)格，功率器件因此變得越來越重要。半導(dǎo)體制造商們在回收、交付、加工、存儲(chǔ)和電力消耗等電子產(chǎn)品生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)采取了措施，以改善能源利用。

與其他任何采用高技術(shù)的應(yīng)用環(huán)境一樣，在數(shù)據(jù)中心，擁有穩(wěn)定、連續(xù)的電源十分重要。VFI UPS系統(tǒng)（UPS的輸出與市電電源的電壓和頻率無關(guān)）通常用于滿足此要求（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。另有一個(gè)旁路開關(guān)將UPS輸出與輸入交流電壓源直接連接起來，主要在維護(hù)時(shí)使用。這種連接也在經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式（eco-mode）時(shí)使用（下文將會(huì)討論）。電池（通常由幾個(gè)電芯組成）與降壓或升壓轉(zhuǎn)換器相連，當(dāng)發(fā)生意外市電斷電時(shí)，可為電源設(shè)備供電。

中等UPS的輸出功率通常為幾百kVA，輸出電流為幾百安培，三相標(biāo)稱電壓為480V，頻率為50/60Hz。圖1所示的設(shè)備也被稱為雙轉(zhuǎn)換電路，因?yàn)檩斎攵说慕涣麟妷菏紫缺晦D(zhuǎn)換成直流電壓，然后再被轉(zhuǎn)換成理想的正弦交流輸出電壓，其作用是消除任何電源電壓波動(dòng)，使UPS能夠?yàn)樨?fù)載提供穩(wěn)定而干凈的信號。電壓轉(zhuǎn)換的過程還將系統(tǒng)與電源隔離，從而保護(hù)負(fù)載免受電壓下降或電壓尖峰的影響。

直到最近，最好的能效還是通過具有三級開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）來實(shí)現(xiàn)的。這種解決方案可達(dá)到96％的能效水平，明顯優(yōu)于以前采用變壓器的方案。

經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式

在經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式（也稱為多模式）下，逆變器和整流器電路處于“離線”狀態(tài)，或者說它們不在常用的電源路徑中。正常情況下，負(fù)載直接由市電電壓供電。在啟用經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式時(shí)，所用的電源路徑就是圖1中的“BYPASS”路徑（用虛線標(biāo)記）。輸入電源電壓的狀態(tài)由UPS持續(xù)監(jiān)控，當(dāng)發(fā)生中斷時(shí)，就會(huì)自動(dòng)啟用由雙轉(zhuǎn)換電路組成的“在線”電源路徑。

圖1：VFI UPS的簡化框圖。（圖片來源：施耐德電氣）

這種模式可以減少電能損耗（因?yàn)橹挥性诎l(fā)生斷電時(shí)逆變器和整流器才會(huì)接通），從而提高效率。但是，請注意，該模式下效率僅提高了1％左右，因此許多數(shù)據(jù)中心運(yùn)營商仍然偏愛傳統(tǒng)解決方案，可以保證一直為負(fù)載正常供電，而不會(huì)出現(xiàn)任何中斷。

基于SiC的UPS

最近UPS功率級中采用了碳化硅晶體管，效率顯著提高到98％以上，而且?guī)缀跖c負(fù)載使用百分比無關(guān)。圖2對基于SiC器件的商用UPS繪出了其典型效率曲線。從圖中可以看出，當(dāng)負(fù)載使用百分比高于30％時(shí)，曲線比較平坦，效率始終保持在98％以上。

圖2：SiC基UPS的效率曲線。（圖片來源：三菱）

實(shí)現(xiàn)這樣的結(jié)果，是因?yàn)椴捎昧藢捊麕В╓BG）半導(dǎo)體設(shè)計(jì)（SiC就屬于這類材料）。與MOSFET和IGBT等傳統(tǒng)硅基器件相比，寬禁帶半導(dǎo)體可以在更高的溫度、頻率和電壓下工作。SiC基器件的功率損耗可降低高達(dá)70％，而使效率達(dá)到或高于98.6％，并且與負(fù)載無關(guān)?；赟iC的UPS還有另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，就是具有更好的散熱性，因此可以在更高的溫度下工作。利用這一特性，設(shè)計(jì)人員可以采用更緊湊、更低成本的散熱方案。總而言之，與采用硅基器件的同類產(chǎn)品相比，SiC基UPS更小、更輕、更高效。

SiC器件

羅姆半導(dǎo)體公司（ROHM）提供了一系列SiC器件，可實(shí)現(xiàn)高效UPS系統(tǒng)。與硅基IGBT相比，其第三代SiC溝道MOSFET在開關(guān)頻率為30kHz時(shí)功率損耗降低了73％，同時(shí)導(dǎo)通電阻降低了50％。完整的ROHM產(chǎn)品組合包括SiC肖特基勢壘二極管（SBD）和“全SiC”功率模塊（其中集成了SiC MOSFET和SBD）。

業(yè)界領(lǐng)先的寬禁帶半導(dǎo)體制造商Wolfspeed已采用SiC技術(shù)開發(fā)出1200V/450A的半橋模塊——XM3電源模塊。這款模塊據(jù)稱可最大程度提高功率密度和降低環(huán)路電感，并實(shí)現(xiàn)簡單的電源總線連接。XM3模塊的SiC優(yōu)化封裝實(shí)現(xiàn)了在175℃結(jié)溫下連續(xù)工作，它采用高可靠性的氮化硅（Si3N4）功率襯底，以確保在極端條件下具有較好的機(jī)械強(qiáng)度。XM3適合要求嚴(yán)苛的應(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。（圖片來源：安森美半導(dǎo)體）

安森美半導(dǎo)體也提供了一系列大電流隔離式IGBT驅(qū)動(dòng)器電路——NCD(V)57000系列驅(qū)動(dòng)器。該系列驅(qū)動(dòng)器適合光伏逆變器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和UPS系統(tǒng)等電源應(yīng)用，以及動(dòng)力總成/性能變矩器（PTC）變速器和加熱器等汽車應(yīng)用。NCD(V)57000系列電路元器件可以驅(qū)動(dòng)單通道大電流IGBT，具有專門的內(nèi)部電氣安全絕緣設(shè)計(jì)，以保證在要求高可靠性的電源應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)高工作效率（圖3）。 lw