【技术】一文介绍芯众享碳化硅器件在UPS中的应用
互联网数据中心(Internet Data Center,IDC)，是集中计算和存储数据的场所，是为了满足互联网业务以及信息服务需求而构建的应用基础设施。受新基建、数字经济等国家政策影响以及新一代信息技术发展的驱动，我国数据中心市场规模增长迅猛。
随着数据中心市场的迅猛发展，数据中心的耗电量也连续以超过12%的速度增长，数据中心的节能问题正引发包括政府、运营商、UPS制造商以及半导体厂商的广泛关注。近期，北京市发改委公布《关于印发进一步加强数据中心项目节能审查若干规定的通知》。对于超过标准限定值的数据中心，将按月征收差别电价电费。对于新建、扩建数据中心，PUE值不应高于1.3。这样苛刻的PUE值标准，势必对UPS的效率提出更高的要求(PUE(Power Usage Effectiveness)是指数据中心消耗的所有能源与IT负载消耗的能源之比，PUE值越接近于1，表示一个数据中心的绿色化程度越高)。
在数据中心供电系统中，模块化UPS由于体积小，功率密度大，便于扩展和维护，近年来得到越来越多的关注。而随着第三代半导体材料的蓬勃发展，特别是碳化硅二极管，由于其反向恢复电流小，反向恢复时间短，应用于模块化UPS中，可以提高UPS整机效率，满足IDC对PUE的要求。
目前流行的UPS整流和逆变拓扑如下图1，图2和图3。图1的双Boost整流拓扑可以同时满足交流输入的整流功能和电池的放电功能，但还需额外的电池充电线路。该拓扑的D3和D4在使用650V碳化硅二极管时，可以极大地降低换流回路上IGBT5和IGBT6的开通损耗，实现提升效率降低PUE值的目标。图2和图3的Vienna整流拓扑是优秀的三电平PWM整流器拓扑，其具有所需的开关器件少，单个功率器件所承受的最大电压为输出电压的一半，无需设置驱动死区时间，无输出电压桥臂直通问题等优点。该拓扑使用1200V碳化硅二极管可以极大地提高UPS整流部分的效率并提高开关器件的开关频率。UPS的逆变部分为NPC1和NPC2逆变拓扑。
NPC1和NPC2这两种三电平拓扑是UPS，光伏逆变器，APF/SVG等应用中，使用最为广泛的三电平拓扑。NPC1使用4颗650V的开关器件（图2 IGBT1~IGBT4）和2颗650V的二极管(图2 D1/D2)。在控制方法上需要注意外管（IGBT1/IGBT4）和内管(IGBT2/IGBT3)的关断时序以及内外管的均压等问题。NPC2只使用4颗开关器件，2颗1200V开关器件做为主管(图3 IGBT1/IGBT2),2颗600/650V开关器件做为辅管(图3 IGBT3/IGBT4),有着器件数量少，控制简单等优点。
近年来，随着碳化硅材料和器件的发展，碳化硅二极管最先被应用到UPS中，如前文所述图1的D3/D4在双Boost整流，图2和图3的D3/D4在Vienna整流，以及图1和图2的D1/D2在NPC1逆变中的使用。这些碳化硅二极管的使用，都是为了降低对应换流回路中开关管的开通损耗（Eon）。
图4是硅二极管和碳化硅二极管在对应换流回路中开关管的Eon对比，从图中可以看到，在100A电流时，使用碳化硅二极管可以降低大概50%的Eon，小于100A电流时，Eon降低的比例会更大。从图4中还可以发现，使用碳化硅二极管，Eon基本不随着温度的升高而升高，而使用硅二极管，Eon会随着温度的上升而变大。
随着碳化硅二极管的大量使用，碳化硅MOSFET逐渐走进UPS应用的大门。对比IGBT器件，碳化硅MOSFET有着开关频率高，开关损耗小等优势，在UPS中使用，可以实现大功率UPS的高效化和高频化，实现整个数据中心的节能和碳减排目标。下面我们将基于UPS的各常用逆变方案和芯众享器件，来分析碳化硅MOSFET给我们带来的损耗降低。
其中图5 NPC1逆变的主管是图中的IGBT1/IGBT4，辅管是图中的IGBT2/IGBT3，可使用650V的IGBT单管，二极管D1/D2可使用650V 40A SiC Diode，如芯众享的CEB 040D065R3。NPC2逆变的主管是图6中的IGBT1/IGBT2，可使用1200V IGBT和图7中的MOSFET1/MOSFET2，可使用1200V 40mΩ SiC MOSFET，如芯众享的CEB 040M120PR4辅管均为图6、图7中的IGBT3/IGBT4，这里我们可使用混合IGBT器件，它的反并二极管是碳化硅二极管，在同主管换流时，可以有效降低主管的开通损耗。
从上图的损耗结果看，使用NPC2混合逆变方案的损耗是最小的，即使在开关频率40kHz和60kHz的条件下，它的损耗也比NPC1逆变和NPC2逆变的损耗要低。而两电平逆变方案，在开关频率40kHz的条件下，同NPC1逆变和NPC2逆变的损耗几乎相当，而且两电平逆变使用的开关器件更少，控制方法更简单。从上述损耗结果看，使用碳化硅MOSFET可以极大地降低逆变部分的损耗，提高逆变部分的开关频率，进一步降低逆变磁性器件的体积和成本。
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