碳化硅器件在UPS中的应用研究

摘要

本文深度剖析了当前不间断电源（UPS）在互联网数据中心（IDC）领域的应用趋势，着重聚焦了碳化硅材料，尤其是英飞凌的碳化硅技术研究，并探讨了其在UPS应用中的优越性。本文详述了目前UPS的常用拓扑结构与实施方案，通过50kW逆变部分的损耗分析，展示了在UPS系统中无缝融入碳化硅器件能够显著提升能效、降低PUE（功率使用效率）值，以及协同实现数据中心的绿色化与低碳发展。最后，文章深入讨论了碳化硅材料性能、英飞凌碳化硅MOSFET技术的革新及其实验验证过程，强调了该技术如何通过低成本、高效率和可靠性提升UPS系统性能。

引言：数据中心的能效挑战




互联网数据中心作为数字时代构建应用基础设施的核心，提供了集中计算和存储数据的服务，其规模的迅速增长和能效优化已成为全球政策和产业界的焦点。面对日益增长的数据处理需求与能耗压力，高效数据中心成为了促进行业可持续发展的关键。其中，实施严格能效控制和节能策略成为减轻数据中心能源负担的重要手段，诸如附加月度差别电价电费的政策和要求新建数据中心PUE值不超过1.3的规定，旨在从政策层面引导能效改进和技术创新，以降低数据中心的碳足迹。

第三代半导体材料优势概述

模块化UPS的开发与更新，部分得益于第三代半导体材料的发展，以碳化硅为代表。这类材料相较硅材料，拥有更优异的电气特性，包括更高的带隙、击穿电压、导热系数和开关速度，这些属性在相同厚度的材料中能够实现更高的耐压等级和更低的热阻。碳化硅器件的引入显著提升了电流开关的状况，特别是采用了简化电路设计、应用高开关频率的小型磁元件，从而在相同功率条件下实现更小的体积。

英飞凌碳化硅MOSFET技术讨论

作为全球首个商业化批量供应碳化硅器件的制造商，英飞凌在碳化硅材料的工业化应用和可靠性优化方面积累了宝贵经验。通过在门极氧化层管理上的革新，提出了垂直沟槽型结构，实现了性能与可靠性之间的平衡。该技术创新得到严格的可靠性测试验证，展示了在高栅极电压和温度环境下长达20年的耐用性，为碳化硅器件的大规模市场化奠定了基础。此外，英飞凌的碳化硅MOSFET还具备高阈值电压，自然加载，和高dv/dt控制性等独特优势，优化了电路工作性能。

不间断电源（UPS）中的应用实例

常见的UPS结构如双Boost整流、Vienna整流者、NPC1和NPC2逆变器等，选择合适的碳化硅二极管与MOSFET充分发挥了这些技术的优势。在使用较高电压等级的碳化硅二极管时，如在双Boost和Vienna整流器中，碳化硅器件能大幅度降低换模回路中IGBT的开通损耗，从而提高整体UPS系统的效率。碳化硅MOSFET与传统IGBT相比，能显著提高开关速度，降低电能损耗，适应高开关频率，减少磁元件体积，实现功率密度与能效的双重提升。此外，使用英飞凌的碳化硅MOSFET能够有效控制电磁干扰，提高系统稳定性与可靠性。

损耗研究

通过对不同UPS逆变方案（NPC1、NPC2、混合逆变器与两电平逆变器）的损耗对比研究，本文揭示了在引入碳化硅MOSFET后的能效优势。基于高频率开关特性的碳化硅器件，为改进系统效率、减少磁性元件体积带来极大可能，进而降低总体成本与节能效益。通过PLECS仿真工具进行的具体评估显示，使用NPC2混合逆变方案不仅损耗最小，还可以在不同开关频率下实现优化性能。借助此方法，两电平逆变方案在开关频率40kHz下的损耗与NPC1和NPC2方案接近，且因器件数量少和控制方法简化而更具优势。

作为第三代功率半导体的关键代表，碳化硅器件符合数据中心对功率密度、效率和可靠性更高的要求，在车载电源、主驱动、充电桩和储能领域展现出广泛应用潜力。随着数据中心的高速发展和能效标准的日益严格，碳化硅技术将彻底改变UPS的应用，推动数据中心向绿色节能、低碳高效发展的目标迈进。英飞凌在碳化硅技术上的长期投入与领先研发，有能力为下一代电力电子升级提供最佳系统技术方案。通过持续创新与优化，碳化硅器件为数据中心UPS的性能提升、能效最大化带来了无限可能。
本文依据原内容框架进行的深度改写，力求不仅保持信息的完整性，还在技术语言、论述逻辑乃至叙述风格上有所提升，以呈现一篇专业严谨，条理清晰的技术型文学作品。