碳化硅提高双转换UPS效率和功率密度

对于当今的大多数企业来说，数据中心的平稳运行是企业的生命线。不断增加的云计算和虚拟化正在帮助服务器设施的发展，这些设施消耗了全球2%以上的电能。仅在美国，数据中心就消耗90太瓦时的电力，可以充分利用约30个大型燃煤电厂。

这种功耗规模促使政府考虑制定法规来控制功率因数（PF）和效率。例如，欧盟数据中心行为准则鼓励参与者以具有成本效益的方式降低能耗。阿拉伯数字

设计可靠、高效且具有成本效益的UPS解决方案是数据中心等商业设置的关键考虑因素，其中通常使用双转换系统每周24天，每天<>小时提供恒定电压和恒定频率。

什么是双转换UPS？

双转换 UPS 架构包括一个有源前端 （AFE） 或整流器、一个 DC/DC 转换器和一个逆变器（图 1）。在正常功率流中，小电流进入维持电池充电的 DC/DC 转换器。大部分电力通过直流母线发送到逆变器，在那里它为负载供电。这给拓扑结构起了名字，因为整流器即使在交流电网供电时也会驱动逆变器。

图1：具有储能功能的直流母线将负载与电网解耦，双转换拓扑结构即使在电网不稳定的情况下也能提供清洁电源

在电源故障下，AFE 停止开关，DC/DC 转换器将电池的电力发送到逆变器以馈送负载。存储在电池中的能量也可用于补偿不良负载和电网侧电能质量。

AFE和逆变器具有相似的配置，每个都使用三个半桥转换器，每相一个。AFE调节电流，而逆变器调节交流输出上的电流和电压。双向 DC/DC 转换器包括两个半桥电源模块，用于升压至电池以及从电池降压至 DC 母线。

固态硅与固态氮化硅在UPS设计中的比较

目前有多种组件技术可供选择，可用于设计典型的 200 kW 双转换 UPS 系统。虽然硅绝缘栅双极晶体管（IGBT）已用于此类系统，但碳化硅（SiC）在效率、功率密度和成本效益方面胜过高压电源解决方案中的硅。3

基于IGBT的同类最佳硅设计（图2）使用开关频率为8 kHz的功率模块，以最大限度地权衡系统尺寸和系统损耗。这些模块需要一个散热器和推杆和拉拔器风扇，以产生足够的气流来管理系统热量。

AFE 中每个模块的损耗高达 1.1 kW，在 130°C 的外壳温度 （Tc） 下，IGBT 和二极管结温 （Tj） 分别达到 140°C 和 40°C。 该设计需要 6.4 L 的散热器和风扇体积才能耗散如此大的功率。

图2：基于IGBT的设计需要每个模块一个大散热器和两个风扇。

对于DC/DC转换器，每个模块的损耗约为590 W。二极管Tj在75°C时较低，而IGBT Tj上升至136°C。 DC/DC 转换器不仅需要 3 L 散热器和风扇，还需要 1.9 L 的 100μH 电感器，功耗高达 182 W 以及 3.6 L 2.32 mF 电解电容器。

图3：Wolfspeed 的 XM3 SiC 电源模块采用相同的拓扑结构，允许 UPS 使用 25 kHz 的更高开关频率。

SiC 功率模块可用于相同的拓扑结构（图 3），通过一些优化，可将开关频率提高到 25 kHz，并提供引人注目的优势：

每个模块基于SiC的AFE损耗降至仅662 W。

额定温度高达 175°C，SiC 模块可以运行得更热，并达到 164°C @ Tc 40°C 的 Tj。

由于 SiC MOSFET 集成了体二极管，因此模块不需要额外的二极管，因此更小。

随着模块运行温度更高，系统损耗显著降低，因此需要一个只有一个风扇的更小散热器来进行热量管理。这将每个模块的冷却系统容积降低到 3.7 L。

在DC/DC转换器中使用SiC的一个主要好处是能够使用同步开关，而大多数IGBT处于劣势，因为它们不能在第三象限传导。SiC 不使用二极管，而是反向使用 MOSFET 沟道，从而降低系统中的传导损耗。因此，该转换器具有以下优点

低得多的单模块功率损耗，仅为 284 W

允许更高的 MOSFET Tj 为 143°C @ Tc 40°C

冷却系统容积仅为 1.9 L

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

更高的频率意味着薄膜电容器在 1.2 L 的 740 μF 电容下显著节省，这也有助于提高电解电容器的系统可靠性/使用寿命

碳化硅的优势

基于IGBT和Wolfspeed XM3模块的双转换UPS的逐个组件比较（图3）显示了SiC系统的明显优势：

损耗减少 40%，冷却量减少 42%，热解决方案成本降低 43%

电感尺寸减小37%，电感损耗降低20%，电感成本降低23%

电容器体积减少 67%，电容器成本降低 66%

来自碳化硅的系统级增益

除了最大限度地提高效率外，UPS还必须提供储能缓冲器以承受断电和其他问题，包括浪涌和掉电，通过提供极低的THD电流和高PF来最大限度地减少电能质量问题，最大限度地降低组件成本，并缩小系统体积以节省高租金空间或为额外的电池腾出空间。

Wolfspeed 的 XM3 功率模块在体积、损耗和成本方面的优势意味着，基于 200 kW SiC 的系统将为无源器件节省 35% 的物料清单 （BoM） 成本，并节省 38% 的损耗，这意味着每年减少 26 MWh 或 2，591 美元，每千瓦时 0.10 美元。

这一优势还延伸到电能质量。通过系统仿真进行的SiC与IGBT比较（图4）表明，硅的较低开关频率（8 kHz）限制了其对负载变化的响应，需要16.4 ms才能建立。基于 SiC 的系统具有 3× 更高的频率，使其在 3.4 ms 内以 9× 的速度抑制负载。

图5：负载阶跃为10%至100%的系统仿真表明，与IGBT相比，SiC MOSFET的建立时间明显更快。

这种性能水平可通过 Wolfspeed 的三相逆变器参考设计 CRD250DA12E-XM3 进行评估，该设计提供 250 kW 峰值输出功率、900V 直流母线（最大值）和 300 ARMS 相电流（最大值），重量小巧轻便的 9.3 L 和 6.2 kg。

审核编辑：郭婷