數據中心基礎設施需要以盡可能低的成本提供高效、可靠的電力，這可能會驅動不間斷電源（UPS）市場在未來幾年蓬勃發展。隨著全球經濟向數字化不斷邁進，基于云平臺的服務需求越來越旺盛，很多公司開始投資新的數據中心。UPS電源是其中的關鍵部分，可以幫助它們避免市電電壓故障或中斷可能對其運營帶來的災難性影響。電源冗余對于確保數據中心運營的連續性和可靠性至關重要，最大限度地提高數據中心的電源使用效率（PUE）已成為每個企業的主要目標。

與傳統的硅功率器件和其他方案相比，碳化硅（SiC）技術可極大提升數據中心的能源效率。

VFI UPS系統

隨著市場對高端消費電子產品、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）應用的需求不斷增加，能效標準變得更加嚴格，功率器件因此變得越來越重要。半導體制造商們在回收、交付、加工、存儲和電力消耗等電子產品生產的各個環節采取了措施，以改善能源利用。

與其他任何采用高技術的應用環境一樣，在數據中心，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）通常用于滿足此要求（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。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。這種連接也在經濟運行模式（eco-mode）時使用（下文將會討論）。電池（通常由幾個電芯組成）與降壓或升壓轉換器相連，當發生意外市電斷電時，可為電源設備供電。

中等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，然后再被轉換成理想的正弦交流輸出電壓，其作用是消除任何電源電壓波動，使UPS能夠為負載提供穩定而干凈的信號。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，最好的能效還是通過具有三級開關拓撲結構的絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）來實現的。這種解決方案可達到96％的能效水平，明顯優于以前采用變壓器的方案。

經濟運行模式

在經濟運行模式（也稱為多模式）下，逆變器和整流器電路處于“離線”狀態，或者說它們不在常用的電源路徑中。正常情況下，負載直接由市電電壓供電。在啟用經濟運行模式時，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，當發生中斷時，就會自動啟用由雙轉換電路組成的“在線”電源路徑。

圖1：VFI UPS的簡化框圖。（圖片來源：施耐德電氣）

這種模式可以減少電能損耗（因為只有在發生斷電時逆變器和整流器才會接通），從而提高效率。但是，請注意，該模式下效率僅提高了1％左右，因此許多數據中心運營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。

基于SiC的UPS

最近UPS功率級中采用了碳化硅晶體管，效率顯著提高到98％以上，而且幾乎與負載使用百分比無關。圖2對基于SiC器件的商用UPS繪出了其典型效率曲線。從圖中可以看出，當負載使用百分比高于30％時，曲線比較平坦，效率始終保持在98％以上。

圖2：SiC基UPS的效率曲線。（圖片來源：三菱）

實現這樣的結果，是因為采用了寬禁帶（WBG）半導體設計（SiC就屬于這類材料）。與MOSFET和IGBT等傳統硅基器件相比，寬禁帶半導體可以在更高的溫度、頻率和電壓下工作。SiC基器件的功率損耗可降低高達70％，而使效率達到或高于98.6％，并且與負載無關。基于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，設計人員可以采用更緊湊、更低成本的散熱方案。總而言之，與采用硅基器件的同類產品相比，SiC基UPS更小、更輕、更高效。

SiC器件

羅姆半導體公司（ROHM）提供了一系列SiC器件，可實現高效UPS系統。與硅基IGBT相比，其第三代SiC溝道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肖特基勢壘二極管（SBD）和“全SiC”功率模塊（其中集成了SiC MOSFET和SBD）。

業界領先的寬禁帶半導體制造商Wolfspeed已采用SiC技術開發出1200V/450A的半橋模塊——XM3電源模塊。這款模塊據稱可最大程度提高功率密度和降低環路電感，并實現簡單的電源總線連接。XM3模塊的SiC優化封裝實現了在175℃結溫下連續工作，它采用高可靠性的氮化硅（Si3N4）功率襯底，以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。

圖3：NCD57000框圖。（圖片來源：安森美半導體）

安森美半導體也提供了一系列大電流隔離式IGBT驅動器電路——NCD(V)57000系列驅動器。該系列驅動器適合光伏逆變器、電機驅動器和UPS系統等電源應用，以及動力總成/性能變矩器（PTC）變速器和加熱器等汽車應用。NCD(V)57000系列電路元器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工作效率（圖3）。 lw