傾佳電子SiC功率模塊在鋰電池供電三相四線制AI算力數(shù)據(jù)中心電源中的應(yīng)用價(jià)值深度分析報(bào)告

傾佳電子（Changer Tech）是一家專注于功率半導(dǎo)體和新能源汽車連接器的分銷商。主要服務(wù)于中國工業(yè)電源、電力電子設(shè)備和新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈。傾佳電子聚焦于新能源、交通電動化和數(shù)字化轉(zhuǎn)型三大方向，并提供包括IGBT、SiC MOSFET、GaN等功率半導(dǎo)體器件以及新能源汽車連接器。?

傾佳電子楊茜致力于推動國產(chǎn)SiC碳化硅模塊在電力電子應(yīng)用中全面取代進(jìn)口IGBT模塊，助力電力電子行業(yè)自主可控和產(chǎn)業(yè)升級！

傾佳電子楊茜咬住SiC碳化硅MOSFET功率器件三個(gè)必然，勇立功率半導(dǎo)體器件變革潮頭：

傾佳電子楊茜咬住SiC碳化硅MOSFET模塊全面取代IGBT模塊和IPM模塊的必然趨勢！

傾佳電子楊茜咬住SiC碳化硅MOSFET單管全面取代IGBT單管和大于650V的高壓硅MOSFET的必然趨勢！

傾佳電子楊茜咬住650V SiC碳化硅MOSFET單管全面取代SJ超結(jié)MOSFET和高壓GaN 器件的必然趨勢！

1. 引言

1.1 數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)的挑戰(zhàn)與技術(shù)演進(jìn)

數(shù)據(jù)中心作為現(xiàn)代信息社會的核心基礎(chǔ)設(shè)施，其能耗問題日益凸顯，直接關(guān)系到運(yùn)營成本和環(huán)境可持續(xù)性。電能利用效率（PUE）是衡量數(shù)據(jù)中心能源效率的關(guān)鍵指標(biāo)，而電源系統(tǒng)作為PUE的重要組成部分，其效率優(yōu)化尤為關(guān)鍵。傳統(tǒng)的電源系統(tǒng)路徑涉及多次交直流（AC/DC）和直交流（DC/AC）轉(zhuǎn)換，每一步轉(zhuǎn)換都會產(chǎn)生能量損耗，從而降低整體效率。為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，數(shù)據(jù)中心電源架構(gòu)正在從傳統(tǒng)的交流不間斷電源（UPS）向更高效率、更緊湊的高壓直流（HVDC）系統(tǒng)以及采用先進(jìn)半導(dǎo)體器件的新型UPS拓?fù)溲葸M(jìn)。

1.2 碳化硅（SiC）技術(shù)在UPS領(lǐng)域的崛起

碳化硅（SiC）作為一種寬禁帶（Wide-Bandgap, WBG）半導(dǎo)體材料，其卓越的物理特性使其在電力電子領(lǐng)域備受關(guān)注。與傳統(tǒng)的硅（Si）基器件相比，SiC具有更高的擊穿電場強(qiáng)度、更快的開關(guān)速度和更優(yōu)異的導(dǎo)熱性能 。這些特性直接轉(zhuǎn)化為功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)層面的優(yōu)勢，包括更低的傳導(dǎo)損耗和開關(guān)損耗、更高的工作頻率以及更強(qiáng)的功率密度。SiC技術(shù)已在電動汽車（EV）牽引逆變器和充電樁等高功率應(yīng)用中得到驗(yàn)證 ，其應(yīng)用范圍正迅速拓展至對效率和可靠性要求同樣嚴(yán)苛的數(shù)據(jù)中心UPS系統(tǒng) 。

1.3 傾佳電子報(bào)告目的與范圍

傾佳電子旨在超越對技術(shù)參數(shù)的簡單羅列，深入分析傾佳電子代理的基本半導(dǎo)體（BASiC Semiconductor）的兩款SiC功率模塊BMF008MR12E2G3和BMF240R12E2G3，在以鋰電池供電的三相四線制數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)中的具體應(yīng)用價(jià)值。傾佳電子將從技術(shù)特性、系統(tǒng)集成、經(jīng)濟(jì)效益和可靠性等多個(gè)維度，系統(tǒng)性地評估這兩款模塊如何通過其固有的性能優(yōu)勢，與數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)的演進(jìn)方向、鋰電池儲能技術(shù)的特點(diǎn)相協(xié)同，為用戶提供全面的價(jià)值主張和決策支持。傾佳電子將整合并分析所提供的技術(shù)文檔和行業(yè)資料，以建立一個(gè)嚴(yán)謹(jǐn)、客觀且富有洞察力的論證框架。

2. 數(shù)據(jù)中心電源架構(gòu)與需求解析

2.1 高壓直流（HVDC）與三相四線制拓?fù)涞膬?yōu)勢

數(shù)據(jù)中心傳統(tǒng)的交流供電路徑通常為：市電（AC）-> UPS整流器（AC/DC）-> 電池（DC）-> UPS逆變器（DC/AC）-> 服務(wù)器電源（AC/DC）-> 服務(wù)器芯片（DC）。這一過程中存在多次低效的能量轉(zhuǎn)換。高壓直流（HVDC）架構(gòu)通過將市電一次性轉(zhuǎn)換為800V左右的高壓直流，直接為所有IT設(shè)備供電，從而簡化了電源路徑，消除了冗余的交直流轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，顯著提升了從市電到負(fù)載的端到端效率 。

這一架構(gòu)的成功實(shí)施，很大程度上依賴于高壓、高效的功率半導(dǎo)體。基本半導(dǎo)體提供的兩款模塊額定電壓均為1200V ，這為800V直流母線提供了充足的電壓裕量，保障了系統(tǒng)的安全性和可靠性。SiC模塊的低損耗特性在高壓、高頻工況下表現(xiàn)更優(yōu)，這使得HVDC架構(gòu)所帶來的效率優(yōu)勢能夠得到最大化體現(xiàn)。因此，SiC模塊并非僅僅是傳統(tǒng)IGBT的替代品，而是實(shí)現(xiàn)新一代HVDC供電架構(gòu)的核心使能技術(shù)。

此外，在數(shù)據(jù)中心復(fù)雜的負(fù)載環(huán)境中，非線性或不平衡負(fù)載普遍存在。傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)拓?fù)淙魺o中性線，將無法有效處理不平衡負(fù)載電流。三相四線制拓?fù)洌◣е行跃€）因其能夠獨(dú)立控制每相的電流和功率，并提供零序電流通路，成為解決這一問題的關(guān)鍵 。這不僅有助于維持三相電壓的平衡，還能有效抑制諧波，確保供電質(zhì)量，這對于敏感的IT設(shè)備至關(guān)重要。

2.2 鋰電池在數(shù)據(jù)中心UPS中的價(jià)值主張

數(shù)據(jù)中心UPS的電池儲能系統(tǒng)正經(jīng)歷一場從傳統(tǒng)閥控式鉛酸（VRLA）電池向鋰電池的革命性轉(zhuǎn)變。鋰電池的引入不僅僅是簡單的技術(shù)升級，更是從根本上優(yōu)化了數(shù)據(jù)中心的運(yùn)營模式和總擁有成本（TCO）。

鋰電池相較于VRLA電池的關(guān)鍵優(yōu)勢包括：

更長的使用壽命：鋰電池的壽命可達(dá)8到10年，甚至更高，是VRLA電池的2到3倍，從而大幅減少了電池更換的頻率和相關(guān)的維護(hù)成本 。

更高的能量密度：鋰電池的體積和重量比VRLA電池分別減少約40-60%和60-70%，這極大地節(jié)省了寶貴的機(jī)房占地面積，使更多的空間可用于IT設(shè)備部署 。

更快的充電速度：鋰電池通?？稍?小時(shí)內(nèi)充滿電，而VRLA電池則需10到12小時(shí)，這對于頻繁的放電測試或短時(shí)斷電后的快速恢復(fù)至關(guān)重要 。

更寬泛的溫度耐受性：鋰電池能夠在比VRLA電池更高的環(huán)境溫度下（通常可達(dá)50°C）安全運(yùn)行，而不會出現(xiàn)顯著的性能下降 。

這兩款基本半導(dǎo)體SiC模塊與鋰電池儲能技術(shù)存在顯著的協(xié)同效應(yīng)。SiC模塊由于其固有的低損耗特性，在工作時(shí)產(chǎn)生的熱量遠(yuǎn)少于傳統(tǒng)硅基器件 。此外，SiC器件能夠耐受更高的結(jié)溫（最高工作結(jié)溫為175°C） 。將這一熱性能優(yōu)勢與鋰電池同樣優(yōu)異的寬泛溫度耐受性相結(jié)合，數(shù)據(jù)中心運(yùn)營者可以重新設(shè)定機(jī)房的冷卻溫度，減少對空調(diào)系統(tǒng)的依賴。這不僅直接降低了能源消耗，也進(jìn)一步減少了冷卻相關(guān)的運(yùn)營成本和碳足跡 。這種協(xié)同作用表明，SiC和鋰電池共同構(gòu)建了一個(gè)更高效、更耐用、更具成本效益的電源生態(tài)系統(tǒng)。

3. 基本半導(dǎo)體SiC模塊技術(shù)特性深度對比

3.1 核心電氣參數(shù)比較

下表1詳細(xì)對比了BMF008MR12E2G3和BMF240R12E2G3兩款SiC半橋模塊的關(guān)鍵電氣參數(shù)，這些數(shù)據(jù)來源于其初步規(guī)格書。

表1：兩款SiC模塊核心參數(shù)對比表

3.2 開關(guān)特性與損耗管理

從表1可以看出，BMF240R12E2G3在連續(xù)漏極電流和導(dǎo)通電阻上均優(yōu)于BMF008MR12E2G3，這表明其在處理大電流和降低傳導(dǎo)損耗方面更具優(yōu)勢。然而，其總柵極電荷 (QG?) 和開關(guān)能量（Eon?,Eoff?）也明顯更高。這種看似矛盾的特性，實(shí)際上揭示了兩款模塊在設(shè)計(jì)上的戰(zhàn)略性權(quán)衡。

功率模塊的導(dǎo)通電阻 (RDS(on)?) 與其內(nèi)部SiC芯片的面積通常呈反比關(guān)系。為了實(shí)現(xiàn)更高的額定電流和更低的傳導(dǎo)損耗，BMF240可能采用了更大面積的芯片或更多的芯片并聯(lián)。然而，芯片面積的增大也伴隨著寄生電容（Ciss?,Coss?,Crss?）的增加，進(jìn)而導(dǎo)致總柵極電荷 (QG?) 的增大。在每次開關(guān)動作中，對這些寄生電容的充放電和對柵極電荷的驅(qū)動都會消耗能量，從而造成開關(guān)損耗。因此，更大的芯片面積在降低傳導(dǎo)損耗的同時(shí)，也必然會提高開關(guān)損耗。

這種技術(shù)權(quán)衡決定了兩款模塊不同的應(yīng)用定位：

BMF240R12E2G3 適用于傳導(dǎo)損耗占主導(dǎo)地位的大功率、低頻或工頻開關(guān)場景。在這種工況下，持續(xù)的大電流使得I2R傳導(dǎo)損耗成為主要的能量消耗，因此其更低的R_{DS(on)}能夠帶來顯著的效率提升。

BMF008MR12E2G3 則更適合于對開關(guān)頻率要求較高，或負(fù)載波動較大的中等功率場景。其較低的開關(guān)損耗使其在高頻工作下仍能保持高效率，從而減小無源器件的尺寸，有助于實(shí)現(xiàn)更緊湊的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

電源設(shè)計(jì)工程師可以根據(jù)具體的負(fù)載工況，對傳導(dǎo)損耗和開關(guān)損耗進(jìn)行精確的權(quán)衡，從而選擇最適合的模塊，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)效率的最大化。

3.3 熱管理與封裝可靠性

除了電氣性能，功率模塊的封裝技術(shù)對其可靠性和系統(tǒng)集成度至關(guān)重要?；景雽?dǎo)體的這兩款模塊在封裝上采用了多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)：

氮化硅（Si?N?）陶瓷基板：功率模塊內(nèi)部的絕緣基板直接影響其散熱和機(jī)械性能。Si3?N4?基板提供了優(yōu)于傳統(tǒng)氧化鋁（Al?O?）和氮化鋁（AlN）基板的綜合性能，包括出色的熱導(dǎo)率、高機(jī)械強(qiáng)度和優(yōu)異的抗熱震性 。這些特性增強(qiáng)了模塊的功率循環(huán)能力（power cycling capability），保障了其在持續(xù)高功率、大溫差循環(huán)下的長期可靠性。優(yōu)秀的散熱性能使得模塊能夠工作在更高的功率密度下，從而減小了所需的散熱器尺寸，進(jìn)一步為系統(tǒng)小型化創(chuàng)造了條件。

壓接（Press-FIT）技術(shù)：該技術(shù)是一種無需焊接的強(qiáng)制配合連接技術(shù) 。與傳統(tǒng)的焊接連接相比，壓接技術(shù)避免了高溫焊接過程中可能產(chǎn)生的熱應(yīng)力，并且其連接可靠性被認(rèn)為比焊接高出10倍以上 。在數(shù)據(jù)中心這種對可靠性要求極高的應(yīng)用中，壓接技術(shù)的價(jià)值尤為凸顯。它不僅提高了生產(chǎn)效率和良品率，更重要的是，它允許在現(xiàn)場進(jìn)行快速、無熱應(yīng)力的模塊更換，極大地簡化了維護(hù)流程，縮短了平均修復(fù)時(shí)間（MTTR），從而提升了系統(tǒng)的可用性。

4. SiC模塊在目標(biāo)應(yīng)用中的協(xié)同價(jià)值分析

4.1 效率提升與運(yùn)營成本節(jié)約

SiC模塊的低損耗特性對數(shù)據(jù)中心運(yùn)營成本的影響是革命性的。電源系統(tǒng)的效率提升直接轉(zhuǎn)化為電能消耗的減少，進(jìn)而降低運(yùn)營成本和PUE值。

表2：SiC與傳統(tǒng)Si器件在UPS應(yīng)用中的性能對比

SiC模塊的效率優(yōu)勢在高壓、高功率的數(shù)據(jù)中心應(yīng)用中被放大。特別是，傳統(tǒng)IGBT器件的輸出特性曲線存在一個(gè)“膝點(diǎn)電壓” ，導(dǎo)致其在低負(fù)載（例如UPS的常用工況）下的傳導(dǎo)損耗相對較高。而SiC MOSFET的導(dǎo)通電阻在寬電流范圍內(nèi)保持線性，這意味著它在部分負(fù)載下也能保持高效率 。這種特性對于負(fù)載波動較大的數(shù)據(jù)中心至關(guān)重要，它確保了在任何工況下都能實(shí)現(xiàn)最佳能效。效率的每1%提升都意味著能耗的顯著降低，這在兆瓦級數(shù)據(jù)中心中可轉(zhuǎn)化為每年數(shù)百萬的電費(fèi)節(jié)省 。

4.2 功率密度提升與系統(tǒng)小型化

SiC器件具備更快的開關(guān)速度，允許電源系統(tǒng)工作在更高的開關(guān)頻率。這直接帶來的技術(shù)紅利是：實(shí)現(xiàn)相同性能所需的無源器件（如濾波器中的電感和電容）的體積可以大幅減小 。

在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用中，這一優(yōu)勢與鋰電池的高能量密度形成了完美的協(xié)同。正如分析所示，鋰電池的體積比VRLA電池小40-60% ，本身就極大地節(jié)約了空間。當(dāng)UPS的逆變器和DC-DC轉(zhuǎn)換器等核心功率級也因SiC模塊的應(yīng)用而變得更緊湊時(shí)，整個(gè)電源系統(tǒng)的功率密度（kW/m3）將實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍。這意味著在相同的機(jī)架或機(jī)房空間內(nèi)，可以部署更大功率的UPS系統(tǒng)，或者在提供相同功率時(shí)，系統(tǒng)體積顯著縮小，從而將寶貴的機(jī)房空間更多地留給產(chǎn)生收益的IT設(shè)備。

4.3 可靠性與生命周期管理

在一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)中，整體的可靠性往往取決于最薄弱的環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)UPS的壽命通常受限于內(nèi)部的電解電容、風(fēng)扇和鉛酸電池等易損件。SiC模塊和鋰電池都從根本上提升了系統(tǒng)的耐久性。

SiC模塊的Si3?N4?基板和壓接技術(shù)確保了其在熱和機(jī)械應(yīng)力下的長期穩(wěn)定性 。同時(shí)，鋰電池的長壽命優(yōu)勢使其能夠與SiC模塊的預(yù)期壽命相匹配。這種“雙長壽”的組合使得數(shù)據(jù)中心可以設(shè)計(jì)出生命周期更長、平均無故障時(shí)間（MTBF）更高的電源系統(tǒng)。更長的生命周期意味著更少的組件更換，更低的維護(hù)頻率，以及更高的系統(tǒng)可用性。

5. 市場背景與產(chǎn)品定位

5.1 全球及中國SiC功率模塊市場概況

全球SiC功率模塊市場正處于高速增長期，預(yù)計(jì)從2025年到2034年的復(fù)合年增長率（CAGR）將達(dá)到29.97% 。這一增長主要由電動汽車（EV）的快速普及所驅(qū)動，但其他應(yīng)用領(lǐng)域如太陽能、工業(yè)和數(shù)據(jù)中心也貢獻(xiàn)了強(qiáng)勁的增長勢頭 。

亞太地區(qū)在SiC市場中占據(jù)主導(dǎo)地位，特別是在制造業(yè)和市場份額方面，這得益于其完善的晶圓制造生態(tài)系統(tǒng)和旺盛的終端市場需求。中國作為全球最大的消費(fèi)電子和電動汽車市場，其SiC產(chǎn)業(yè)正受到國家和地方政府政策的大力扶持，致力于追趕國際領(lǐng)先水平 。這為基本半導(dǎo)體等本土企業(yè)提供了有利的市場環(huán)境和發(fā)展機(jī)遇。

5.2 產(chǎn)品定位與潛在應(yīng)用場景

根據(jù)前述的詳細(xì)技術(shù)分析，基本半導(dǎo)體的兩款SiC模塊展現(xiàn)出清晰的差異化定位，能夠滿足數(shù)據(jù)中心不同功率等級和應(yīng)用場景的需求：

BMF008MR12E2G3：其較低的開關(guān)損耗使其非常適合用于構(gòu)建模塊化UPS單元或高頻DC-DC轉(zhuǎn)換器。模塊化設(shè)計(jì)是數(shù)據(jù)中心供電的趨勢，其優(yōu)勢在于可擴(kuò)展性強(qiáng)、維護(hù)方便。BMF008的性能使其在輕載和高頻工況下表現(xiàn)卓越，適合于構(gòu)建高效率、靈活擴(kuò)展的電源模塊，滿足未來數(shù)據(jù)中心負(fù)載按需擴(kuò)展的需求。

BMF240R12E2G3：憑借其出色的連續(xù)大電流能力和更低的導(dǎo)通電阻，該模塊是大型中央U(xiǎn)PS系統(tǒng)的理想選擇。在百千瓦至兆瓦級的系統(tǒng)中，持續(xù)的大電流輸出使得傳導(dǎo)損耗成為主要的能源損耗來源。BMF240能夠最大限度地降低這部分損耗，從而為整個(gè)大型系統(tǒng)帶來顯著的效率增益，并降低長期運(yùn)營成本。

6. 結(jié)論與具體實(shí)施建議

6.1 合評估

基本半導(dǎo)體的BMF008MR12E2G3和BMF240R12E2G3 SiC功率模塊，在以鋰電池供電的三相四線制數(shù)據(jù)中心電源應(yīng)用中，展現(xiàn)出顯著的應(yīng)用價(jià)值。這些價(jià)值不僅僅體現(xiàn)在其優(yōu)異的電氣性能上，更在于其能夠與HVDC供電架構(gòu)、三相四線制拓?fù)湟约颁囯姵貎δ芗夹g(shù)形成強(qiáng)大的協(xié)同效應(yīng)。通過其低損耗特性、先進(jìn)封裝技術(shù)和對高溫的耐受性，這兩款模塊共同促成了系統(tǒng)級的高效率、高功率密度和高可靠性，并與鋰電池的長壽命、小體積優(yōu)勢相互增強(qiáng)，最終顯著降低了數(shù)據(jù)中心的全生命周期總擁有成本（TCO）。

6.2 實(shí)施建議

傾佳電子（Changer Tech）是一家專注于功率半導(dǎo)體和新能源汽車連接器的分銷商。主要服務(wù)于中國工業(yè)電源、電力電子設(shè)備和新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈。傾佳電子聚焦于新能源、交通電動化和數(shù)字化轉(zhuǎn)型三大方向，并提供包括IGBT、SiC MOSFET、GaN等功率半導(dǎo)體器件以及新能源汽車連接器。?

傾佳電子楊茜致力于推動國產(chǎn)SiC碳化硅模塊在電力電子應(yīng)用中全面取代進(jìn)口IGBT模塊，助力電力電子行業(yè)自主可控和產(chǎn)業(yè)升級！

傾佳電子楊茜咬住SiC碳化硅MOSFET功率器件三個(gè)必然，勇立功率半導(dǎo)體器件變革潮頭：

傾佳電子楊茜咬住SiC碳化硅MOSFET模塊全面取代IGBT模塊和IPM模塊的必然趨勢！

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傾佳電子楊茜咬住650V SiC碳化硅MOSFET單管全面取代SJ超結(jié)MOSFET和高壓GaN 器件的必然趨勢！

基于傾佳電子的深度分析，為數(shù)據(jù)中心電源設(shè)計(jì)工程師和運(yùn)營者提出以下具體建議：

選型決策：在選擇模塊時(shí)，應(yīng)基于對負(fù)載特性的全面評估。對于高頻或輕載工況，應(yīng)優(yōu)先考慮開關(guān)損耗較低的BMF008MR12E2G3；而對于持續(xù)大電流輸出的重載場景，則應(yīng)選擇傳導(dǎo)損耗更低的BMF240R12E2G3。

拓?fù)鋬?yōu)化：充分利用SiC模塊的高速開關(guān)特性，采用高頻脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)和優(yōu)化的電路布局，以最大化效率，并減小無源器件的尺寸，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的小型化。

熱管理策略：重新審視傳統(tǒng)的冷卻設(shè)計(jì)。鑒于SiC模塊和鋰電池都能耐受較高的工作溫度，工程師可以考慮提高機(jī)房或電源柜的設(shè)定溫度，從而減少對能耗密集型冷卻系統(tǒng)的依賴。

維護(hù)與可靠性：利用壓接技術(shù)無需焊接即可更換的優(yōu)勢，建立簡化的現(xiàn)場維護(hù)流程。這一特性與鋰電池的長壽命共同作用，可大幅減少維護(hù)頻率和停機(jī)時(shí)間，保障數(shù)據(jù)中心的高可用性。

審核編輯 黃宇