在數據中心基礎設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) 市場預計將在未來幾年顯著增長。隨著全球經濟朝著更加數字化的方向發展，公司正在投資新的數據中心，以滿足對基于云的服務不斷增長的需求。UPS 是這項工作的關鍵組成部分，可幫助公司避免電源電壓故障或運營中斷造成的潛在災難性影響。電源冗余是確保數據中心運營連續性和可靠性的關鍵，最大限度地提高數據中心的電力使用效率 (PUE) 是每個企業家和運營經理的主要目標。

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

VFI UPS 系統

隨著能效標準變得越來越嚴格以滿足對高端消費電子、無線通信、電動汽車 (EV)、綠色能源、數據中心以及工業和消費物聯網 (IoT) 應用不斷增長的需求，功率器件變得越來越重要. 半導體制造商已通過改進電子產品生產各個方面的能源使用來做出回應，包括電力的收集、交付、處理、存儲和消耗。

在數據中心，如同在任何其他具有高技術含量的環境中一樣，穩定、持續的電力供應是必不可少的。電壓和頻率無關 (VFI) UPS 系統通常用于滿足這一要求（圖 1）。VFI UPS 設備由 AC/DC 轉換器（整流器）、DC/AC 轉換器（逆變器）和 DC 鏈路組成。旁路開關將 UPS 輸出直接連接到輸入交流電壓源，主要在維護期間使用。此連接也用于稱為生態模式（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換器，并在主電源出現故障時為電源供電。

中檔UPS輸出功率為數百kVA，輸出電流為數百安培，三相標稱電壓為480V，頻率為50/60Hz。圖 1 中的設備也被描述為雙轉換電路，因為輸入端的交流電壓首先轉換為直流電壓，然后再次轉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 能夠為負載提供穩定、干凈的信號。電壓轉換過程還將系統與電源隔離，保護負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拓撲結構的絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 才能獲得效率方面的最佳結果。該解決方案可以實現 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。

環保模式

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”狀態或不是公共電源路徑的一部分。因此，在正常情況下，負載直接由電源電壓供電。啟用生態模式時使用的電源路徑對應于圖 1 中所示的“旁路”路徑（用虛線標記）。輸入電源電壓的狀態由 UPS 持續監控，如果發生中斷，由雙轉換電路組成的“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故障時才開啟），旨在提高效率。然而，應該注意的是，效率提升只有 1% 左右，因此許多數據中心運營商更喜歡傳統的解決方案，在這種解決方案中，始終確保負載正確供電，不會出現任何中斷。

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%，并且幾乎不受負載使用百分比的影響。圖 2 顯示了與基于 SiC 器件的商用 UPS 相關的典型效率曲線。請注意，效率保持在 98% 以上，負載使用百分比高于 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) 半導體（碳化硅所屬的材料類別）的特性，可以獲得此類結果。與傳統的硅基器件（例如 MOSFET 和 IGBT）相比，WBG 半導體可以在更高的溫度、頻率和電壓下運行。基于 SiC 的器件的功率損耗可降低多達 70%，從而獲得等于或大于 98.6% 的效率值，并且與負載無關。基于 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。此功能使設計人員可以采用更緊湊、更經濟的冷卻解決方案。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高效 UPS 系統的 SiC 器件。與硅 IGBT 相比，其第三代 SiC 溝槽 MOSFET 在 30 kHz 的開關頻率下可將功率損耗降低 73%，并將導通電阻降低 50%。完善 ROHM 的產品組合是 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 是寬帶隙半導體的領先制造商，已開發出基于 SiC 技術的 1,200V、450A 半橋模塊。據稱，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簡單的電源總線。XM3 的 SiC 優化封裝可實現 175°C 的連續結運行，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械穩健性。XM3 適用于要求嚴苛的應用，例如 EV 充電器、UPS 系統和牽引驅動器。

圖 3：NCD57000 的框圖（圖片：ON Semiconductor）

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

審核編輯 黃昊宇