對于當今的大多數企業來說，數據中心的平穩運行是企業的生命線。不斷增加的云計算和虛擬化正在幫助服務器設施的發展，這些設施消耗了全球2%以上的電能。僅在美國，數據中心就消耗90太瓦時的電力，可以充分利用約30個大型燃煤電廠。

這種功耗規模促使政府考慮制定法規來控制功率因數（PF）和效率。例如，歐盟數據中心行為準則鼓勵參與者以具有成本效益的方式降低能耗。阿拉伯數字

設計可靠、高效且具有成本效益的UPS解決方案是數據中心等商業設置的關鍵考慮因素，其中通常使用雙轉換系統每周24天，每天<>小時提供恒定電壓和恒定頻率。

什么是雙轉換UPS？

雙轉換 UPS 架構包括一個有源前端 （AFE） 或整流器、一個 DC/DC 轉換器和一個逆變器（圖 1）。在正常功率流中，小電流進入維持電池充電的 DC/DC 轉換器。大部分電力通過直流母線發送到逆變器，在那里它為負載供電。這給拓撲結構起了名字，因為整流器即使在交流電網供電時也會驅動逆變器。

圖1：具有儲能功能的直流母線將負載與電網解耦，雙轉換拓撲結構即使在電網不穩定的情況下也能提供清潔電源

在電源故障下，AFE 停止開關，DC/DC 轉換器將電池的電力發送到逆變器以饋送負載。存儲在電池中的能量也可用于補償不良負載和電網側電能質量。

AFE和逆變器具有相似的配置，每個都使用三個半橋轉換器，每相一個。AFE調節電流，而逆變器調節交流輸出上的電流和電壓。雙向 DC/DC 轉換器包括兩個半橋電源模塊，用于升壓至電池以及從電池降壓至 DC 母線。

固態硅與固態氮化硅在UPS設計中的比較

目前有多種組件技術可供選擇，可用于設計典型的 200 kW 雙轉換 UPS 系統。雖然硅絕緣柵雙極晶體管（IGBT）已用于此類系統，但碳化硅（SiC）在效率、功率密度和成本效益方面勝過高壓電源解決方案中的硅。3

基于IGBT的同類最佳硅設計（圖2）使用開關頻率為8 kHz的功率模塊，以最大限度地權衡系統尺寸和系統損耗。這些模塊需要一個散熱器和推桿和拉拔器風扇，以產生足夠的氣流來管理系統熱量。

AFE 中每個模塊的損耗高達 1.1 kW，在 130°C 的外殼溫度 （Tc） 下，IGBT 和二極管結溫 （Tj） 分別達到 140°C 和 40°C。 該設計需要 6.4 L 的散熱器和風扇體積才能耗散如此大的功率。

圖2：基于IGBT的設計需要每個模塊一個大散熱器和兩個風扇。

對于DC/DC轉換器，每個模塊的損耗約為590 W。二極管Tj在75°C時較低，而IGBT Tj上升至136°C。 DC/DC 轉換器不僅需要 3 L 散熱器和風扇，還需要 1.9 L 的 100μH 電感器，功耗高達 182 W 以及 3.6 L 2.32 mF 電解電容器。

圖3：Wolfspeed 的 XM3 SiC 電源模塊采用相同的拓撲結構，允許 UPS 使用 25 kHz 的更高開關頻率。

SiC 功率模塊可用于相同的拓撲結構（圖 3），通過一些優化，可將開關頻率提高到 25 kHz，并提供引人注目的優勢：

每個模塊基于SiC的AFE損耗降至僅662 W。

額定溫度高達 175°C，SiC 模塊可以運行得更熱，并達到 164°C @ Tc 40°C 的 Tj。

由于 SiC MOSFET 集成了體二極管，因此模塊不需要額外的二極管，因此更小。

隨著模塊運行溫度更高，系統損耗顯著降低，因此需要一個只有一個風扇的更小散熱器來進行熱量管理。這將每個模塊的冷卻系統容積降低到 3.7 L。

在DC/DC轉換器中使用SiC的一個主要好處是能夠使用同步開關，而大多數IGBT處于劣勢，因為它們不能在第三象限傳導。SiC 不使用二極管，而是反向使用 MOSFET 溝道，從而降低系統中的傳導損耗。因此，該轉換器具有以下優點

低得多的單模塊功率損耗，僅為 284 W

允許更高的 MOSFET Tj 為 143°C @ Tc 40°C

冷卻系統容積僅為 1.9 L

電感器要求大幅降低至 1.2 L，消耗 30 W 功率，功耗為 137 μH

更高的頻率意味著薄膜電容器在 1.2 L 的 740 μF 電容下顯著節省，這也有助于提高電解電容器的系統可靠性/使用壽命

碳化硅的優勢

基于IGBT和Wolfspeed XM3模塊的雙轉換UPS的逐個組件比較（圖3）顯示了SiC系統的明顯優勢：

損耗減少 40%，冷卻量減少 42%，熱解決方案成本降低 43%

電感尺寸減小37%，電感損耗降低20%，電感成本降低23%

電容器體積減少 67%，電容器成本降低 66%

來自碳化硅的系統級增益

除了最大限度地提高效率外，UPS還必須提供儲能緩沖器以承受斷電和其他問題，包括浪涌和掉電，通過提供極低的THD電流和高PF來最大限度地減少電能質量問題，最大限度地降低組件成本，并縮小系統體積以節省高租金空間或為額外的電池騰出空間。

Wolfspeed 的 XM3 功率模塊在體積、損耗和成本方面的優勢意味著，基于 200 kW SiC 的系統將為無源器件節省 35% 的物料清單 （BoM） 成本，并節省 38% 的損耗，這意味著每年減少 26 MWh 或 2，591 美元，每千瓦時 0.10 美元。

這一優勢還延伸到電能質量。通過系統仿真進行的SiC與IGBT比較（圖4）表明，硅的較低開關頻率（8 kHz）限制了其對負載變化的響應，需要16.4 ms才能建立。基于 SiC 的系統具有 3× 更高的頻率，使其在 3.4 ms 內以 9× 的速度抑制負載。

圖5：負載階躍為10%至100%的系統仿真表明，與IGBT相比，SiC MOSFET的建立時間明顯更快。

這種性能水平可通過 Wolfspeed 的三相逆變器參考設計 CRD250DA12E-XM3 進行評估，該設計提供 250 kW 峰值輸出功率、900V 直流母線（最大值）和 300 ARMS 相電流（最大值），重量小巧輕便的 9.3 L 和 6.2 kg。

審核編輯：郭婷