碳化硅器件在UPS中的應(yīng)用研究

本文分析了目前不間斷電源（UPS）在互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心中的應(yīng)用和發(fā)展趨勢(shì)。對(duì)目前熱門的碳化硅材料和英飛凌碳化硅技術(shù)做了介紹，并著重說(shuō)明了碳化硅器件在UPS應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)。分析給出了目前UPS常用拓?fù)浼胺桨福詈蠡?0 kW的逆變部分做了各方案的損耗分析。

1.引 言

互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心(Internet Data Center,IDC),是集中計(jì)算和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的場(chǎng)所，是為了滿足互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)以及信息服務(wù)需求而構(gòu)建的應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施。受新基建、數(shù)字經(jīng)濟(jì)等國(guó)家政策影響以及新一代信息技術(shù)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)，我國(guó)數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)規(guī)模增長(zhǎng)迅猛。

隨著數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)的迅猛發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的耗電量也連續(xù)以超過(guò)12%的速度增長(zhǎng)，數(shù)據(jù)中心的節(jié)能問(wèn)題正引發(fā)包括政府、運(yùn)營(yíng)商、UPS制造商以及半導(dǎo)體廠商的廣泛關(guān)注。近期，北京市發(fā)改委公布《關(guān)于印發(fā)進(jìn)一步加強(qiáng)數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目節(jié)能審查若干規(guī)定的通知》。對(duì)于超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)限定值的數(shù)據(jù)中心，將按月征收差別電價(jià)電費(fèi)。對(duì)于新建、擴(kuò)建數(shù)據(jù)中心，PUE值不應(yīng)高于1.3。這樣苛刻的PUE值標(biāo)準(zhǔn)，勢(shì)必對(duì)UPS的效率提出更高的要求(PUE(Power Usage Effectiveness)是指數(shù)據(jù)中心消耗的所有能源與IT負(fù)載消耗的能源之比，PUE值越接近于1，表示一個(gè)數(shù)據(jù)中心的綠色化程度越高)。

在數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)中，模塊化UPS由于體積小，功率密度大，便于擴(kuò)展和維護(hù)，近年來(lái)得到越來(lái)越多的關(guān)注。而隨著第三代半導(dǎo)體材料的蓬勃發(fā)展，特別是碳化硅二極管，由于其反向恢復(fù)電流小，反向恢復(fù)時(shí)間短，應(yīng)用于模塊化UPS中，可以提高UPS整機(jī)效率，滿足IDC對(duì)PUE的要求。本文將從碳化硅材料和可靠性出發(fā)，通過(guò)對(duì)UPS拓?fù)涞姆治?，介紹碳化硅器件特別是碳化硅MOSFET在UPS中的應(yīng)用[6]。

2.碳化硅材料介紹

碳化硅和硅材料的特性對(duì)比如表1所示，其中更高的帶隙和擊穿電壓對(duì)應(yīng)了碳化硅器件在相同材料厚度下可以做到更高的耐壓等級(jí)；更高的熱導(dǎo)率表明碳化硅器件熱阻可以做到更小。更高的開(kāi)關(guān)速度意味著讓系統(tǒng)可使用簡(jiǎn)單而容易控制的電路（兩電平而非三電平），讓系統(tǒng)可使用高開(kāi)關(guān)頻率及小型磁元件，在更小的機(jī)箱處理相同的功率。以上優(yōu)勢(shì)分析都表明，碳化硅功率器件可以極大的提高電力電子能量轉(zhuǎn)換功率密度，效率和可靠性并降低系統(tǒng)成本。在UPS和光伏太陽(yáng)能領(lǐng)域，正逐步投入使用。

表1.碳化硅和硅材料性能對(duì)比

3.英飛凌碳化硅MOSFET技術(shù)

英飛凌是最早接觸碳化硅材料的廠家之一，有著20年批量供貨碳化硅器件的歷史，有著碳化硅二極管，碳化硅MOSFET和碳化硅模塊等一系列產(chǎn)品。從碳化硅材料到碳化硅功率半導(dǎo)體的產(chǎn)品化中不可避免的遇到了門極氧化層的可靠性問(wèn)題。門極氧化層由SiO2組成，作用在于提供與漏極源極之間的絕緣，同時(shí)門極電壓超過(guò)門極閾值電壓(Vgs.th)時(shí)提供反向通道。碳化硅材料高能量帶隙引起高的隧道效應(yīng)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(zhǎng)期工作時(shí)存在離子遷移現(xiàn)象，溝道區(qū)域中的缺陷密度高，需要加大門極驅(qū)動(dòng)電壓或者降低氧化層厚度來(lái)解決，但加大門極電壓以及降低氧化層厚度又導(dǎo)致可靠性壽命的問(wèn)題。2015年英飛凌提出了一種垂直溝槽型的結(jié)構(gòu)[1]，在不違反門極氧化層可靠性的條件下，更容易達(dá)到性能要求，如圖1所示。英飛凌針對(duì)碳化硅器件進(jìn)行一系列HTGS等可靠性實(shí)驗(yàn)[2]，表明這種架構(gòu)的碳化硅器件在+15V/+18V柵極電壓和150℃環(huán)境下可以達(dá)到20年工作壽命，可以很有信心的進(jìn)行大規(guī)模市場(chǎng)化推廣[3]。

同時(shí)，通過(guò)門極過(guò)電壓應(yīng)力破壞性測(cè)試，可以看到英飛凌碳化硅器件具有非常高的魯棒性。在考慮門極可靠性的同時(shí)，英飛凌碳化硅MOSFET還具有下述優(yōu)勢(shì)，1）閾值電壓高，避免誤觸發(fā)，2）短路能力，3）dv/dt可控性。這些獨(dú)有的特性，使得英飛凌碳化硅MOSFET更容易被使用。

圖1.垂直溝槽碳化硅MOSFET

圖2.柵極電壓步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)的失效概率分布圖

4.碳化硅在UPS中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

目前流行的UPS整流和逆變拓?fù)淙缦聢D3，圖4和圖5。圖3的雙Boost整流拓?fù)淇梢酝瑫r(shí)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?fù)涞腄3和D4在使用650V碳化硅二極管時(shí)，可以極大地降低換流回路上IGBT5和IGBT6的開(kāi)通損耗，實(shí)現(xiàn)提升效率降低PUE值的目標(biāo)。圖4和圖5的Vienna整流拓?fù)涫怯扇鹗柯?lián)邦技術(shù)學(xué)院Johann W. Kolar教授于1994年提出的一個(gè)優(yōu)秀的三電平PWM整流器拓?fù)?，其具有所需的開(kāi)關(guān)器件少，單個(gè)功率器件所承受的最大電壓為輸出電壓的一半，無(wú)需設(shè)置驅(qū)動(dòng)死區(qū)時(shí)間，無(wú)輸出電壓橋臂直通問(wèn)題等優(yōu)點(diǎn)。該拓?fù)涫褂?200V碳化硅二極管可以極大地提高UPS整流部分的效率并提高開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)頻率[4][7]。這里我們著重分析UPS的逆變部分，即NPC1和NPC2逆變拓?fù)洹?/p>

圖3.雙Boost整流和NPC1逆變拓?fù)?/p>

圖4.Vienna整流和NPC1逆變拓?fù)?/p>

圖5.Vienna整流和NPC2逆變拓?fù)?/p>

NPC1和NPC2這兩種三電平拓?fù)涫荱PS，光伏逆變器，APF/SVG等應(yīng)用中，使用最為廣泛的三電平拓?fù)?。NPC1使用4顆650V的開(kāi)關(guān)器件（圖4 IGBT1~IGBT4）和2顆650V的二極管(圖4 D1/D2)。在控制方法上需要注意外管（IGBT1/IGBT4）和內(nèi)管(IGBT2/IGBT3)的關(guān)斷時(shí)序以及內(nèi)外管的均壓等問(wèn)題。NPC2只使用4顆開(kāi)關(guān)器件，2顆1200V開(kāi)關(guān)器件做為主管(圖5 IGBT1/IGBT2),2顆600/650V開(kāi)關(guān)器件做為輔管(圖5 IGBT3/IGBT4),有著器件數(shù)量少，控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

近年來(lái)，隨著碳化硅材料和器件的發(fā)展，碳化硅二極管最先被應(yīng)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。這些碳化硅二極管的使用，都是為了降低對(duì)應(yīng)換流回路中開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通損耗（Eon）。圖6是硅二極管和碳化硅二極管在對(duì)應(yīng)換流回路中開(kāi)關(guān)管的Eon對(duì)比(數(shù)據(jù)來(lái)自F3L400R10W3S7_B11和F3L400R10W3S7F_B11的T1管Eon數(shù)據(jù))，從圖中可以看到，在100A電流時(shí)，使用碳化硅二極管可以降低大概50%的Eon,小于100A電流時(shí)，Eon降低的比例會(huì)更大。從圖6中還可以發(fā)現(xiàn)，使用碳化硅二極管，Eon基本不隨著溫度的升高而升高，而使用硅二極管，Eon會(huì)隨著溫度的上升而變大。

圖6.硅二極管和碳化硅二極管對(duì)Eon的影響

隨著碳化硅二極管的大量使用，碳化硅MOSFET逐漸走進(jìn)UPS應(yīng)用的大門。對(duì)比IGBT器件，碳化硅MOSFET有著開(kāi)關(guān)頻率高，開(kāi)關(guān)損耗小等優(yōu)勢(shì)，在UPS中使用，可以實(shí)現(xiàn)大功率UPS的高效化和高頻化，實(shí)現(xiàn)整個(gè)數(shù)據(jù)中心的節(jié)能和碳減排目標(biāo)。下面我們將基于UPS的各常用逆變方案和英飛凌器件，來(lái)分析碳化硅MOSFET給我們帶來(lái)的損耗降低。

5.UPS逆變方案損耗研究

我們基于英飛凌的IGBT和碳化硅器件在下述4種常用UPS逆變方案中的使用，通過(guò)PLECS仿真工具來(lái)進(jìn)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 S5，二極管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，這里我們使用了英飛凌650V CoolSiC?混合IGBT器件，它的反并二極管是碳化硅二極管，在同主管換流時(shí)，可以有效降低主管的開(kāi)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(jìn)行損耗仿真對(duì)比，結(jié)果如下：

圖11.各逆變方案損耗

從上圖的損耗結(jié)果看，使用NPC2混合逆變方案的損耗是最小的，即使在開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)頻率40kHz的條件下，同NPC1逆變和NPC2逆變的損耗幾乎相當(dāng)，而且兩電平逆變使用的開(kāi)關(guān)器件更少，控制方法更簡(jiǎn)單。從上述損耗結(jié)果看，使用碳化硅MOSFET可以極大地降低逆變部分的損耗，提高逆變部分的開(kāi)關(guān)頻率，進(jìn)一步降低逆變磁性器件的體積和成本。

6.結(jié)束語(yǔ)

碳化硅器件作為第三代功率半導(dǎo)體，由于其高耐壓，開(kāi)關(guān)速度快，損耗低等特點(diǎn)，已經(jīng)逐步應(yīng)用在車載電源，主驅(qū)，充電樁和儲(chǔ)能應(yīng)用中。隨著數(shù)據(jù)中心的高速發(fā)展，碳化硅器件也逐步在其配供電中得到使用，而高速高壓的碳化硅MOSFET的到來(lái)，將徹底改變數(shù)據(jù)中心UPS的應(yīng)用發(fā)展，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心綠色化，低碳化的發(fā)展目標(biāo)。英飛凌在碳化硅技術(shù)上有二十幾年的研發(fā)準(zhǔn)備，將幫助UPS在下一代電力電子的升級(jí)換代中提供最佳的系統(tǒng)技術(shù)方案。

參考文獻(xiàn)

[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．碳化硅器件在直流充電樁中的應(yīng)用研究．中國(guó)電源學(xué)會(huì)第二十三屆學(xué)術(shù)年會(huì)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(yīng)用．英飛凌工業(yè)半導(dǎo)體微信公眾號(hào) 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(yè)半導(dǎo)體微信公眾號(hào) 2019．

來(lái)源：英飛凌

作者：周明