摘 要
本文分析了目前不間斷電源（UPS）在網際網路數據中心中的應用和發展趨勢。對目前熱門的碳化矽材料和英飛凌碳化矽技術做了介紹，並著重說明了碳化矽器件在UPS應用中的優勢。分析給出了目前UPS常用拓撲及方案，最後基於50 kW的逆變部分做了各方案的損耗分析。
1. 引 言
網際網路數據中心(Internet Data Center,IDC),是集中計算和存儲數據的場所，是為了滿足網際網路業務以及信息服務需求而構建的應用基礎設施。受新基建、數字經濟等國家政策影響以及新一代信息技術發展的驅動，我國數據中心市場規模增長迅猛。
隨著數據中心市場的迅猛發展，數據中心的耗電量也連續以超過12%的速度增長，數據中心的節能問題正引發包括政府、運營商、UPS製造商以及半導體廠商的廣泛關注。近期，北京市發改委公布《關於印發進一步加強數據中心項目節能審查若干規定的通知》。對於超過標準限定值的數據中心，將按月徵收差別電價電費。對於新建、擴建數據中心，PUE值不應高於1.3。這樣苛刻的PUE值標準，勢必對UPS的效率提出更高的要求(PUE(Power Usage Effectiveness)是指數據中心消耗的所有能源與IT負載消耗的能源之比，PUE值越接近於1，表示一個數據中心的綠色化程度越高)。
在數據中心供電系統中，模塊化UPS由於體積小，功率密度大，便於擴展和維護，近年來得到越來越多的關注。而隨著第三代半導體材料的蓬勃發展，特別是碳化矽二極體，由於其反向恢復電流小，反向恢復時間短，應用於模塊化UPS中，可以提高UPS整機效率，滿足IDC對PUE的要求。本文將從碳化矽材料和可靠性出發，通過對UPS拓撲的分析，介紹碳化矽器件特別是碳化矽MOSFET在UPS中的應用[6]。
2. 碳化矽材料介紹
碳化矽和矽材料的特性對比如表1所示，其中更高的帶隙和擊穿電壓對應了碳化矽器件在相同材料厚度下可以做到更高的耐壓等級；更高的熱導率表明碳化矽器件熱阻可以做到更小。更高的開關速度意味著讓系統可使用簡單而容易控制的電路（兩電平而非三電平），讓系統可使用高開關頻率及小型磁元件，在更小的機箱處理相同的功率。以上優勢分析都表明，碳化矽功率器件可以極大的提高電力電子能量轉換功率密度，效率和可靠性並降低系統成本。在UPS和光伏太陽能領域，正逐步投入使用。
表1.碳化矽和矽材料性能對比
3. 英飛凌碳化矽MOSFET技術
英飛凌是最早接觸碳化矽材料的廠家之一，有著20年批量供貨碳化矽器件的歷史，有著碳化矽二極體，碳化矽MOSFET和碳化矽模塊等一系列產品。從碳化矽材料到碳化矽功率半導體的產品化中不可避免的遇到了門極氧化層的可靠性問題。門極氧化層由SiO2組成，作用在於提供與漏極源極之間的絕緣，同時門極電壓超過門極閾值電壓(Vgs.th)時提供反向通道。碳化矽材料高能量帶隙引起高的隧道效應電流，最終影響門極氧化層的可靠性。門極SiC層和SiO2層接觸面長期工作時存在離子遷移現象，溝道區域中的缺陷密度高，需要加大門極驅動電壓或者降低氧化層厚度來解決，但加大門極電壓以及降低氧化層厚度又導致可靠性壽命的問題。2015年英飛凌提出了一種垂直溝槽型的結構[1]，在不違反門極氧化層可靠性的條件下，更容易達到性能要求，如圖1所示。英飛凌針對碳化矽器件進行一系列HTGS等可靠性實驗[2]，表明這種架構的碳化矽器件在+15V/+18V柵極電壓和150℃環境下可以達到20年工作壽命，可以很有信心的進行大規模市場化推廣[3]。
同時，通過門極過電壓應力破壞性測試，可以看到英飛凌碳化矽器件具有非常高的魯棒性。在考慮門極可靠性的同時，英飛凌碳化矽MOSFET還具有下述優勢，1）閾值電壓高，避免誤觸發，2）短路能力，3）dv/dt可控性。這些獨有的特性，使得英飛凌碳化矽MOSFET更容易被使用。
圖1.垂直溝槽碳化矽MOSFET
圖2.柵極電壓步進應力試驗的失效機率分布圖
4. 碳化矽在UPS中的應用優勢
目前流行的UPS整流和逆變拓撲如下圖3，圖4和圖5。圖3的雙Boost整流拓撲可以同時滿足交流輸入的整流功能和電池的放電功能，但還需額外的電池充電線路。該拓撲的D3和D4在使用650V碳化矽二極體時，可以極大地降低換流迴路上IGBT5和IGBT6的開通損耗，實現提升效率降低PUE值的目標。圖4和圖5的Vienna整流拓撲是由瑞士聯邦技術學院Johann W. Kolar教授於1994年提出的一個優秀的三電平PWM整流器拓撲，其具有所需的開關器件少，單個功率器件所承受的最大電壓為輸出電壓的一半，無需設置驅動死區時間，無輸出電壓橋臂直通問題等優點。該拓撲使用1200V碳化矽二極體可以極大地提高UPS整流部分的效率並提高開關器件的開關頻率[4][7]。這裡我們著重分析UPS的逆變部分，即NPC1和NPC2逆變拓撲。
圖3.雙Boost整流和NPC1逆變拓撲
圖4.Vienna整流和NPC1逆變拓撲
圖5.Vienna整流和NPC2逆變拓撲
NPC1和NPC2這兩種三電平拓撲是UPS，光伏逆變器，APF/SVG等應用中，使用最為廣泛的三電平拓撲。NPC1使用4顆650V的開關器件（圖4 IGBT1~IGBT4）和2顆650V的二極體(圖4 D1/D2)。在控制方法上需要注意外管（IGBT1/IGBT4）和內管(IGBT2/IGBT3)的關斷時序以及內外管的均壓等問題。NPC2隻使用4顆開關器件，2顆1200V開關器件做為主管(圖5 IGBT1/IGBT2),2顆600/650V開關器件做為輔管(圖5 IGBT3/IGBT4),有著器件數量少，控制簡單等優點。
近年來，隨著碳化矽材料和器件的發展，碳化矽二極體最先被應用到UPS中，如前文所述圖3的D3/D4在雙Boost整流，圖4和圖5的D3/D4在Vienna整流，以及圖3和圖4的D1/D2在NPC1逆變中的使用。這些碳化矽二極體的使用，都是為了降低對應換流迴路中開關管的開通損耗（Eon）。圖6是矽二極體和碳化矽二極體在對應換流迴路中開關管的Eon對比(數據來自F3L400R10W3S7_B11和F3L400R10W3S7F_B11的T1管Eon數據)，從圖中可以看到，在100A電流時，使用碳化矽二極體可以降低大概50%的Eon,小於100A電流時，Eon降低的比例會更大。從圖6中還可以發現，使用碳化矽二極體，Eon基本不隨著溫度的升高而升高，而使用矽二極體，Eon會隨著溫度的上升而變大。
圖6.矽二極體和碳化矽二極體對Eon的影響
隨著碳化矽二極體的大量使用，碳化矽MOSFET逐漸走進UPS應用的大門。對比IGBT器件，碳化矽MOSFET有著開關頻率高，開關損耗小等優勢，在UPS中使用，可以實現大功率UPS的高效化和高頻化，實現整個數據中心的節能和碳減排目標。下面我們將基於UPS的各常用逆變方案和英飛凌器件，來分析碳化矽MOSFET給我們帶來的損耗降低。
5. UPS逆變方案損耗研究
我們基於英飛凌的IGBT和碳化矽器件在下述4種常用UPS逆變方案中的使用，通過PLECS仿真工具來進行它們的損耗研究。
圖7.NPC1逆變 圖8.NPC2逆變
圖9.NPC2混合逆變 圖10.兩電平逆變
各逆變方案器件選型如表2，其中圖7 NPC1逆變的主管是圖中的IGBT1/IGBT4, 輔管是圖中的IGBT2/IGBT3，均使用了650V的TRENCHSTOP™ 5 S5，二極體D1/D2使用了650V CoolSiC™ Diode。NPC2逆變的主管是圖8、圖9中的IGBT1/IGBT2 1200V IGBT和MOSFET1/MOSFET2 1200V SiC MOSFET IMZ120R030M1H，輔管均為圖8、圖9中的IGBT3/IGBT4，這裡我們使用了英飛凌650V CoolSiC™混合IGBT器件，它的反並二極體是碳化矽二極體，在同主管換流時，可以有效降低主管的開通損耗[6]。
表2.逆變方案器件選型
使用PLECS仿真工具，在直流母線760VDC，400 VAC市電輸出，50kW功率條件下進行損耗仿真對比，結果如下：
圖11.各逆變方案損耗
從上圖的損耗結果看，使用NPC2混合逆變方案的損耗是最小的，即使在開關頻率40kHz和60kHz的條件下，它的損耗也比NPC1逆變和NPC2逆變的損耗要低。而兩電平逆變方案，在開關頻率40kHz的條件下，同NPC1逆變和NPC2逆變的損耗幾乎相當，而且兩電平逆變使用的開關器件更少，控制方法更簡單。從上述損耗結果看，使用碳化矽MOSFET可以極大地降低逆變部分的損耗，提高逆變部分的開關頻率，進一步降低逆變磁性器件的體積和成本。
6. 結束語
碳化矽器件作為第三代功率半導體，由於其高耐壓，開關速度快，損耗低等特點，已經逐步應用在車載電源，主驅，充電樁和儲能應用中。隨著數據中心的高速發展，碳化矽器件也逐步在其配供電中得到使用，而高速高壓的碳化矽MOSFET的到來，將徹底改變數據中心UPS的應用發展，從而實現數據中心綠色化，低碳化的發展目標。英飛凌在碳化矽技術上有二十幾年的研發準備，將幫助UPS在下一代電力電子的升級換代中提供最佳的系統技術方案。
參考文獻
[1] Dethard Peters, Thomas Basler, Bernd Zippelius, Infineon Technologies AG，CoolSiC Trench MOSFET Combining SiC Performance With Silicon Ruggedness，2017 PCIM Europe.
[2] Marc Buschkuhle, Infineon Technologies AG, 1200V CoolSiC™ MOSFET High Performance Complemented by High Reliability，Bode’s power systems, 64717,(05)2017.
[3] How Infineon controls and assures the reliability of SiC based power semiconductors. www.infineon.com
[4] 周明，施三保．碳化矽器件在直流充電樁中的應用研究．中國電源學會第二十三屆學術年會論文集 2019．
[5] Ming Zhou. Research on silicon carbide devices used in PFC for DC EV charger applications. PCIM Asia 2021.
[6] 周明，張明丹．英飛凌650 V CoolSiC™ 混合IGBT單管在UPS中的應用．英飛凌工業半導體微信公眾號 2021．
[7] 施俊，周明. 一種高效率、高功率密度的三相三電平Vienna整流器方案. 英飛凌工業半導體微信公眾號 2019．
文章來源：英飛凌工業半導體
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