数据中心UPS要求SiC技术

与传统的基于硅的功率器件和其他替代品相比，基于 SiC 的技术能够显着提高能源效率。

在数据中心基础设施要求以尽可能低的成本提供高效、可靠电力的推动下，预计不间断电源 (UPS) 市场将在未来几年显着增长。随着全球经济朝着更大的数字化方向发展，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件，可帮助公司避免电源电压故障或中断对其运营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，最大化数据中心的电源使用效率 (PUE) 是每个企业家和运营经理的首要目标。

为此，与传统的硅基功率器件和其他替代品相比，基于碳化硅 (SiC) 的技术能够显着提高能源效率。

VFI UPS 系统

随着能效标准变得更加严格，以满足对高端消费电子产品、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) 不断增长的需求，功率器件变得越来越重要应用程序。半导体制造商的回应是在电子产品生产的各个方面改善能源使用，包括收集、交付、处理、存储和消耗电力。

在数据中心中，与在任何其他具有高技术含量的环境中一样，稳定、持续的电力供应至关重要。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。旁路开关直接将 UPS 输出连接到输入交流电压源，主要用于维护期间。此连接也用于称为生态模式（下文讨论）的操作模式。电池通常由多个电池组成，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。

中级UPS的输出功率为几百kVA，输出电流为几百安培，标称电压为三相480V，频率为50/60Hz。图 1中的器件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，然后再转换为完美的正弦交流输出电压。其作用是消除供电电压的任何波动，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的绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 获得了效率方面的最佳结果。该解决方案可以实现 96% 的效率水平，与以前基于变压器的模型相比有明显改进。

生态模式

在这种操作模式（也称为多模式）中，逆变器和整流器电路保持在“离线”状态，或者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）。UPS 持续监控输入电源电压的状态，一旦发生中断，由双转换电路组成的“在线”电源路径会自动启动。

图 1：VFI UPS 的简化框图（图片：施耐德电气）

引入该模式是为了减少功率吸收（逆变器和整流器仅在发生故障时才开启），旨在提高效率。但需要注意的是，效率提升仅为 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，始终保证正确供应负载而不会出现任何中断。

基于 SiC 的 UPS

最近，在 UPS 功率级中使用碳化硅晶体管使效率显着提高，其值超过 98%，并且几乎与负载使用百分比无关。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% 的曲线几乎平坦。

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，可以获得这种类型的结果。与 MOSFET 和 IGBT 等传统硅基器件相比，WBG 半导体可以在更高的温度、频率和电压下工作。基于 SiC 的器件的功率损耗最多可降低 70%，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 的另一个好处是更好的热损失值（或散热），它可以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 比具有硅基组件的同等型号更高效、更轻且更小。

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 的开关频率下可减少 73% 的功率损耗，并减少 50% 的导通电阻。ROHM 的产品组合还包括 SiC 肖特基势垒二极管 (SBD) 和集成了 SiC MOSFET 和 SBD 的“全 SiC”功率模块。

Wolfspeed 是宽带隙半导体的领先制造商，已开发出基于 SiC 技术的 1,200-V、450-A 半桥模块。据说 XM3 电源模块可最大限度地提高功率密度，同时最大限度地减少环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 的连续结操作，采用高可靠性氮化硅 (Si3N4) 功率基板，可确保极端条件下的机械稳健性。XM3 适用于要求苛刻的应用，例如 EV 充电器、UPS 系统和牵引驱动器。

图 3：NCD57000 框图（图片：ON Semiconductor）

ON Semiconductor 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，例如动力总成/高性能变矩器 (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，其内部电流安全绝缘专门设计用于保证在需要高可靠性的电力应用中的高运行效率（图 3）。

审核编辑：汤梓红