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SiC技术走入数据中心UPS

2020-04-14 Maurizio Di Paolo Emilio 阅读:
SiC技术走入数据中心UPS
随着全球经济向数字化不断迈进,基于云平台的服务需求越来越旺盛,很多公司开始投资新的数据中心。不间断电源(UPS)是其中的关键部分,对于确保数据中心运营的连续性和可靠性至关重要。与传统的硅功率器件和其他方案相比,碳化硅技术可极大提升数据中心的能源效率。

数据中心基础设施需要以尽可能低的成本提供高效、可靠的电力,这可能会驱动不间断电源(UPS)市场在未来几年蓬勃发展。随着全球经济向数字化不断迈进,基于云平台的服务需求越来越旺盛,很多公司开始投资新的数据中心。UPS电源是其中的关键部分,可以帮助它们避免市电电压故障或中断可能对其运营带来的灾难性影响。电源冗余对于确保数据中心运营的连续性和可靠性至关重要,最大限度地提高数据中心的电源使用效率(PUE)已成为每个企业的主要目标。YRkednc

与传统的硅功率器件和其他方案相比,碳化硅(SiC)技术可极大提升数据中心的能源效率。YRkednc

VFI UPS系统  

随着市场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)应用的需求不断增加,能效标准变得更加严格,功率器件因此变得越来越重要。半导体制造商们在回收、交付、加工、存储和电力消耗等电子产品生产的各个环节采取了措施,以改善能源利用。YRkednc

与其他任何采用高技术的应用环境一样,在数据中心,拥有稳定、连续的电源十分重要。VFI UPS系统(UPS的输出与市电电源的电压和频率无关)通常用于满足此要求(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。另有一个旁路开关将UPS输出与输入交流电压源直接连接起来,主要在维护时使用。这种连接也在经济运行模式(eco-mode)时使用(下文将会讨论)。电池(通常由几个电芯组成)与降压或升压转换器相连,当发生意外市电断电时,可为电源设备供电。YRkednc

中等UPS的输出功率通常为几百kVA,输出电流为几百安培,三相标称电压为480V,频率为50/60Hz。图1所示的设备也被称为双转换电路,因为输入端的交流电压首先被转换成直流电压,然后再被转换成理想的正弦交流输出电压,其作用是消除任何电源电压波动,使UPS能够为负载提供稳定而干净的信号。电压转换的过程还将系统与电源隔离,从而保护负载免受电压下降或电压尖峰的影响。YRkednc

直到最近,最好的能效还是通过具有三级开关拓扑结构的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)来实现的。这种解决方案可达到96%的能效水平,明显优于以前采用变压器的方案。YRkednc

经济运行模式 

在经济运行模式(也称为多模式)下,逆变器和整流器电路处于“离线”状态,或者说它们不在常用的电源路径中。正常情况下,负载直接由市电电压供电。在启用经济运行模式时,所用的电源路径就是图1中的“BYPASS”路径(用虚线标记)。输入电源电压的状态由UPS持续监控,当发生中断时,就会自动启用由双转换电路组成的“在线”电源路径。YRkednc

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图1:VFI UPS的简化框图。(图片来源:施耐德电气)YRkednc

这种模式可以减少电能损耗(因为只有在发生断电时逆变器和整流器才会接通),从而提高效率。但是,请注意,该模式下效率仅提高了1%左右,因此许多数据中心运营商仍然偏爱传统解决方案,可以保证一直为负载正常供电,而不会出现任何中断。YRkednc

基于SiC的UPS 

最近UPS功率级中采用了碳化硅晶体管,效率显著提高到98%以上,而且几乎与负载使用百分比无关。图2对基于SiC器件的商用UPS绘出了其典型效率曲线。从图中可以看出,当负载使用百分比高于30%时,曲线比较平坦,效率始终保持在98%以上。YRkednc

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图2:SiC基UPS的效率曲线。(图片来源:三菱)YRkednc

实现这样的结果,是因为采用了宽禁带(WBG)半导体设计(SiC就属于这类材料)。与MOSFET和IGBT等传统硅基器件相比,宽禁带半导体可以在更高的温度、频率和电压下工作。SiC基器件的功率损耗可降低高达70%,而使效率达到或高于98.6%,并且与负载无关。基于SiC的UPS还有另一个优点,就是具有更好的散热性,因此可以在更高的温度下工作。利用这一特性,设计人员可以采用更紧凑、更低成本的散热方案。总而言之,与采用硅基器件的同类产品相比,SiC基UPS更小、更轻、更高效。YRkednc

SiC器件 

罗姆半导体公司(ROHM)提供了一系列SiC器件,可实现高效UPS系统。与硅基IGBT相比,其第三代SiC沟道MOSFET在开关频率为30kHz时功率损耗降低了73%,同时导通电阻降低了50%。完整的ROHM产品组合包括SiC肖特基势垒二极管(SBD)和“全SiC”功率模块(其中集成了SiC MOSFET和SBD)。YRkednc

业界领先的宽禁带半导体制造商Wolfspeed已采用SiC技术开发出1200V/450A的半桥模块——XM3电源模块。这款模块据称可最大程度提高功率密度和降低环路电感,并实现简单的电源总线连接。XM3模块的SiC优化封装实现了在175℃结温下连续工作,它采用高可靠性的氮化硅(Si3N4)功率衬底,以确保在极端条件下具有较好的机械强度。XM3适合要求严苛的应用,例如EV充电器、UPS系统和牵引驱动器。YRkednc

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图3:NCD57000框图。(图片来源:安森美半导体)YRkednc

安森美半导体也提供了一系列大电流隔离式IGBT驱动器电路——NCD(V)57000系列驱动器。该系列驱动器适合光伏逆变器、电机驱动器和UPS系统等电源应用,以及动力总成/性能变矩器(PTC)变速器和加热器等汽车应用。NCD(V)57000系列电路元器件可以驱动单通道大电流IGBT,具有专门的内部电气安全绝缘设计,以保证在要求高可靠性的电源应用中实现高工作效率(图3)。 YRkednc

(原文刊登于ASPENCORE旗下EETimes英文网站,参考链接:Data Center UPS Requirements Drive Shift to SiC。)YRkednc

本文为《电子技术设计》2020年04月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里YRkednc

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Maurizio Di Paolo Emilio
Maurizio Di Paolo Emilio拥有物理学博士头衔,也是一名电信工程师和记者。 他曾参与引力波研究领域的各种国际项目,曾与研究机构合作设计空间应用数据采集和控制系统。 他的几本著作曾在斯普林格出版社出版过,并撰写过许多关于电子设计的科学和技术出版物。
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