SiC技術走入資料中心UPS

作者 : Maurizio di Paolo Emilio,EE Times Europe

資料中心的基礎設施需要以盡可能低的成本實現高效與可靠的電力,這將驅動不斷電供應系統(UPS)市場在未來幾年蓬勃發展。而與傳統基於矽的功率元件和其他選擇方案相比,基於碳化矽(SiC)的技術可極大提升資料中心的能源效率。

資料中心的基礎設施需要以盡可能低的成本實現高效與可靠的電力,這將驅動不斷電供應系統(UPS)市場在未來幾年蓬勃發展。隨著全球經濟向數位化不斷邁進,基於雲端平台的服務需求越來越旺盛,很多公司開始投資新的資料中心。UPS電源是其中的關鍵部分,它可以避免資料中心因主電源電壓故障或運作中斷而帶來災難性影響。電源冗餘對於確保資料中心營運的連續性和可靠性至關重要,最大限度地提高資料中心的電源使用效率(PUE)已成為每個企業的主要目標。

與傳統基於矽的功率元件和其他選擇方案相比,基於碳化矽(SiC)的技術可極大提升資料中心的能源效率。

VFI UPS系統

隨著市場對高階消費電子產品、無線通訊、電動車(EV)、綠色能源、資料中心,以及工業和消費性物聯網(IoT)應用的需求不斷增加,能效標準變得更加嚴格,功率設備因此變得越來越重要。半導體製造商們在回收、交付、加工、儲存和電力消耗等電子產品生產的各個環節採取了措施,以改善能源利用。

與其他任何採用高階技術的應用環境一樣,在資料中心,擁有穩定、連續的電源十分重要。VFI UPS系統(UPS的輸出與市電電源的電壓和頻率無關)通常用於滿足此要求(圖1)。VFI UPS設備由一個AC/DC轉換器(整流器)、一個DC/AC轉換器(逆變器)和一個DC鏈路組成。另有一個旁路開關將UPS輸出與輸入交流電壓源直接連接起來,主要在維護時使用,這種連接也用於稱為節能模式(eco-mode)的操作模式時使用(如下所述)。電池組(通常由幾個電池單元組成)與降壓或升壓轉換器相連,當主電源發生故障時,可為電源供電。

圖1 VFI UPS的簡化框架圖。(圖片來源:Schneider Electric)

一個中階等級UPS的輸出功率通常為幾百kVA,輸出電流為幾百安培,三相標稱電壓為480V,頻率為50/60Hz。圖1所示的設備也被稱為雙轉換電路,因為輸入端的交流電壓首先被轉換成直流電壓,然後再被轉換成理想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能夠為負載提供穩定而乾淨的訊號。電壓轉換的過程還將系統與電源隔離,從而保護負載免受電壓下降或電壓尖峰的影響。

直到最近,最好的能效還是透過具有三級開關拓撲結構的絕緣閘雙極型電晶體(IGBT)實現。這種解決方案可達到96%的能效水準,明顯優於以前基於變壓器的方案。

節能模式

在節能操作模式(也稱為多模式)下,逆變器和整流器電路處於「offline」狀態,或者說它們不在一般的電源路徑中。正常情況下,負載直接由主電源電壓供電。在啟用經濟模式時,所用的電源路徑就是圖1中的「BYPASS」路徑(用虛線標記)。輸入電源電壓的狀態由UPS持續監控,在發生中斷時,自動觸發由雙轉換電路組成的「online」電源路徑。

這種模式可以減少功率吸收(因為只有在發生故障時逆變器和整流器才導通),從而提高效率。但是,請注意,該模式下效率僅提高了1%左右,因此許多資料中心營運商仍然偏愛傳統解決方案,可以保證一直為負載正常供電,而不會出現任何中斷。

基於SiC的UPS

最近UPS功率級中採用了SiC電晶體,效率顯著提高到98%以上,而且幾乎與負載使用率無關。圖2所示為一個基於SiC元件的商用UPS的典型效率曲線。從圖中可以看出,當負載使用率高於30%時,曲線接近平坦,效率始終保持在98%以上。

圖2 基於SiC元件的UPS效率曲線。(圖片來源:三菱)

如此高的效率,應歸功於採用的寬能隙(WBG)半導體(SiC就屬於這類材料)。與MOSFET和IGBT等傳統矽基元件相比,寬能隙半導體可以在更高的溫度、頻率和電壓下工作。SiC元件的功率損耗最多可降低70%,使效率達到或高於98.6%,並且與負載無關。基於SiC的UPS還有另一個優點,就是具有更好的散熱性,因此可以在更高的溫度下工作。利用這一特性,設計人員可以採用更緊湊、更低成本的散熱方案。總而言之,與採用矽基元件的同類產品相比,採用SiC元件的UPS更小、更輕、更高效。

SiC元件

羅姆半導體(Rohm)提供了一系列可實現高效UPS系統的SiC元件。與矽基IGBT相比,其第三代SiC溝槽型MOSFET在開關頻率為30kHz時功率損耗降低了73%,同時導通電阻降低了50%。完整的Rohm產品組合包括SiC蕭特基勢壘二極體(SBD)和「全SiC」功率模組,後者整合了SiC MOSFET和SBD。

寬能隙半導體製造商Wolfspeed已開發出採用SiC技術的1,200V/450A半橋模組——XM3電源模組。XM3電源模組據稱可使功率密度最大、迴路電感最小,並實現簡單的電源匯流排連接。XM3模組的SiC最佳化封裝實現了在175℃結溫下連續工作,它採用可靠性高的氮化矽(Si3N4)功率基板,確保在極端條件下具有較好的機械強度。XM3適合要求嚴苛的應用,例如EV充電器、UPS系統和牽引驅動器。

安森美半導體(ON Semi-conductor)也提供了一系列隔離式大電流IGBT驅動器電路——NCD(V)57000系列驅動器。該系列驅動器適合太陽能逆變器、馬達驅動器和UPS系統等電源應用,以及動力傳動/性能變矩器(PTC)變速箱和加熱器等汽車應用。NCD(V)57000系列電路元件可以驅動單通道大電流IGBT,具有專門的內部電氣安全絕緣設計,以保證在要求高可靠性的電源應用中實現高效率(圖3)。

圖3 NCD57000框架圖。(圖片來源:安森美半導體)

(參考原文:Data Center UPS Requirements Drive Shift to SiC,by Maurizio di Paolo Emilio)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2020年4月號雜誌

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