在數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施對以盡可能低的成本提供高效、可靠電力的要求的推動下，不間斷電源 (UPS) 市場預(yù)計將在未來幾年顯著增長。隨著全球經(jīng)濟(jì)朝著更加數(shù)字化的方向發(fā)展，公司正在投資新的數(shù)據(jù)中心，以滿足對基于云的服務(wù)不斷增長的需求。UPS 是這項工作的關(guān)鍵組成部分，可幫助公司避免電源電壓故障或運營中斷造成的潛在災(zāi)難性影響。電源冗余是確保數(shù)據(jù)中心運營連續(xù)性和可靠性的關(guān)鍵，最大限度地提高數(shù)據(jù)中心的電力使用效率 (PUE) 是每個企業(yè)家和運營經(jīng)理的主要目標(biāo)。

為此，與傳統(tǒng)的基于硅的功率器件和其他替代方案相比，基于碳化硅 (SiC) 的技術(shù)正在顯著提高能源效率。

VFI UPS 系統(tǒng)

隨著能效標(biāo)準(zhǔn)變得越來越嚴(yán)格以滿足對高端消費電子、無線通信、電動汽車 (EV)、綠色能源、數(shù)據(jù)中心以及工業(yè)和消費物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 應(yīng)用不斷增長的需求，功率器件變得越來越重要. 半導(dǎo)體制造商已通過改進(jìn)電子產(chǎn)品生產(chǎn)各個方面的能源使用來做出回應(yīng)，包括電力的收集、交付、處理、存儲和消耗。

在數(shù)據(jù)中心，如同在任何其他具有高技術(shù)含量的環(huán)境中一樣，穩(wěn)定、持續(xù)的電力供應(yīng)是必不可少的。電壓和頻率無關(guān) (VFI) UPS 系統(tǒng)通常用于滿足這一要求（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。旁路開關(guān)將 UPS 輸出直接連接到輸入交流電壓源，主要在維護(hù)期間使用。此連接也用于稱為生態(tài)模式（下文討論）的操作模式。電池通常由幾個電池組成，連接到降壓或升壓轉(zhuǎn)換器，并在主電源出現(xiàn)故障時為電源供電。

中檔UPS輸出功率為數(shù)百kVA，輸出電流為數(shù)百安培，三相標(biāo)稱電壓為480V，頻率為50/60Hz。圖 1 中的設(shè)備也被描述為雙轉(zhuǎn)換電路，因為輸入端的交流電壓首先轉(zhuǎn)換為直流電壓，然后再次轉(zhuǎn)換為完美的正弦交流輸出電壓。其作用是消除電源電壓的任何波動，使 UPS 能夠為負(fù)載提供穩(wěn)定、干凈的信號。電壓轉(zhuǎn)換過程還將系統(tǒng)與電源隔離，保護(hù)負(fù)載免受電壓下降或尖峰的影響。

直到最近，使用具有三電平開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 才能獲得效率方面的最佳結(jié)果。該解決方案可以實現(xiàn) 96% 的效率水平，與之前基于變壓器的模型相比有了明顯的改進(jìn)。

環(huán)保模式

在這種工作模式下，也稱為多模式，逆變器和整流器電路保持在“離線”狀態(tài)或不是公共電源路徑的一部分。因此，在正常情況下，負(fù)載直接由電源電壓供電。啟用生態(tài)模式時使用的電源路徑對應(yīng)于圖 1 中所示的“旁路”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，如果發(fā)生中斷，由雙轉(zhuǎn)換電路組成的“在線”電源路徑會自動激活。

圖 1：VFI UPS 的簡化框圖（圖片：施耐德電氣）

引入這種模式是為了減少功率吸收（逆變器和整流器僅在出現(xiàn)故障時才開啟），旨在提高效率。然而，應(yīng)該注意的是，效率提升只有 1% 左右，因此許多數(shù)據(jù)中心運營商更喜歡傳統(tǒng)的解決方案，在這種解決方案中，始終確保負(fù)載正確供電，不會出現(xiàn)任何中斷。

基于 SIC 的 UPS

最近，在 UPS 功率級中使用碳化硅晶體管顯著提高了效率，其值超過 98%，并且?guī)缀醪皇茇?fù)載使用百分比的影響。圖 2 顯示了與基于 SiC 器件的商用 UPS 相關(guān)的典型效率曲線。請注意，效率保持在 98% 以上，負(fù)載使用百分比高于 30% 時曲線幾乎平坦。

圖 2：基于 SiC 的 UPS 的效率曲線（圖片：三菱）

由于寬帶隙 (WBG) 半導(dǎo)體（碳化硅所屬的材料類別）的特性，可以獲得此類結(jié)果。與傳統(tǒng)的硅基器件（例如 MOSFET 和 IGBT）相比，WBG 半導(dǎo)體可以在更高的溫度、頻率和電壓下運行?；?SiC 的器件的功率損耗可降低多達(dá) 70%，從而獲得等于或大于 98.6% 的效率值，并且與負(fù)載無關(guān)?；?SiC 的 UPS 的另一個好處是具有更好的熱損失值（或排熱），從而能夠在更高的溫度下運行。此功能使設(shè)計人員可以采用更緊湊、更經(jīng)濟(jì)的冷卻解決方案。總體而言，基于 SiC 的 UPS 比具有硅基組件的等效型號更高效、更輕、更小。

碳化硅器件

ROHM Semiconductor 提供一系列適用于實現(xiàn)高效 UPS 系統(tǒng)的 SiC 器件。與硅 IGBT 相比，其第三代 SiC 溝槽 MOSFET 在 30 kHz 的開關(guān)頻率下可將功率損耗降低 73%，并將導(dǎo)通電阻降低 50%。完善 ROHM 的產(chǎn)品組合是 SiC 肖特基勢壘二極管 (SBD) 和“全 SiC”功率模塊，它們集成了 SiC MOSFET 和 SBD。

Wolfspeed 是寬帶隙半導(dǎo)體的領(lǐng)先制造商，已開發(fā)出基于 SiC 技術(shù)的 1,200V、450A 半橋模塊。據(jù)稱，XM3 電源模塊可最大限度地提高功率密度，同時最大限度地降低回路電感并實現(xiàn)簡單的電源總線。XM3 的 SiC 優(yōu)化封裝可實現(xiàn) 175°C 的連續(xù)結(jié)運行，并具有高可靠性的氮化硅 (Si3N4) 功率基板，以確保極端條件下的機(jī)械穩(wěn)健性。XM3 適用于要求嚴(yán)苛的應(yīng)用，例如 EV 充電器、UPS 系統(tǒng)和牽引驅(qū)動器。

圖 3：NCD57000 的框圖（圖片：ON Semiconductor）

安森美半導(dǎo)體提供一系列隔離式大電流 IGBT 驅(qū)動器電路。NCD(V)57000 系列驅(qū)動器旨在用于電力應(yīng)用，包括光伏逆變器、電機(jī)驅(qū)動器和 UPS 系統(tǒng)，以及汽車應(yīng)用，例如動力系統(tǒng)/性能變矩器 (PTC) 變速器和加熱器。NCD(V)57000 系列電路的組件驅(qū)動單通道大電流 IGBT，內(nèi)部電流安全絕緣專門設(shè)計用于保證要求高可靠性的電源應(yīng)用中的高運行效率（圖 3）。

審核編輯 黃昊宇