利用 SiC 设计新一代数据中心冷却系统
在更小、更简单的系统中显著降低损耗并提高效率
作者：黄赞
数据中心是数字世界的支柱，其中大量的服务器为互联网、云计算和其他数据驱动型服务赋能。随着对上述服务的需求增长，所消耗的能源体量也随之增加。
在美国，2020 年数据中心消耗了约 90 太瓦时 (亿千瓦时，TWh) 的电力，约占美国总电力消耗的 1.8%。预计到 2030 年这一数字将增至 140 太瓦时，增长 56%。全球人工智能 (AI) 应用的增长需要使用更多的服务器，而运行这些服务器需要使用更多的电力，这进一步加剧了数据中心电力消耗的压力。数据中心的全球增长使得系统设计人员必须找到新颖的方法来降低功率消耗，同时提高计算能力。
数据中心是一个复杂的系统，有许多方法可以降低整体功率消耗。在各种子系统中，数据中心冷却系统占其总能耗的很大一部分，估计从 20% 到 45% 不等。确切的比例可能因使用的冷却系统类型、所在地的气候和所冷却的 IT 设备而异。使用 SiC 可以显著提高数据中心内冷却系统的效率，最多可减少 50% 的系统损耗，达到全球效率标准，并可通过降低可听噪声、加快转速和提高控制精确度来提升系统性能。
使用 1200 V SiC MOSFET，系统级损耗降低可达 60%
数据中心冷却系统由一个 AC-DC（有源前端）级和一个 DC-AC 逆变器级组成。通过在三相供电的 11 kW 冷却系统的有源前端中使用六个 1200 V SiC MOSFET (C3M0075120K) 代替 IGBT，设计人员可将效率提高 0.9%。将逆变器开关简单升级为 1200 V C3M0075120K SiC MOSFET 后，还能进一步提升效率。下图 1 和图 2 对典型 1200 V SiC MOSFET 和 1200 V IGBT 在相同额定电流下的导通损耗和开关损耗进行了比较。在较低负载下，SiC MOSFET 导通损耗仅为 IGBT 的一半，并且通过消除关断尾电流，开关损耗比 IGBT 低 90%。
图 1：导通损耗，1200V SiC MOSFET 对比 IGBT
图 2：开关损耗，1200V SiC MOSFET 对比 IGBT
Wolfspeed SiC MOSFET 的开关损耗较低，可在比 IGBT 高得多的开关频率下工作，因此系统设计人员能够在变速风扇驱动中使用更小型、更轻量的变压器。此外，更高的开关频率可实现更精确的风扇速度控制，确保在不同负载条件下实现最佳冷却性能。由于改善了轻负载导通损耗，SiC MOSFET 可在所有负载条件下实现更平滑的高效率曲线，进一步有利于变速应用。如图 3 所示，Wolfspeed 新近发布的 11 kW 高效率三相电机驱动逆变器 (CRD-11DA12N-K)，经过设计被用于测试 Wolfspeed 1200 V SiC MOSFET 在工业加热与冷却应用。该设计可实现 99% 峰值效率，全负载效率 98.6%，工作电压范围宽至 550-850 VDC，以及闭环无传感器磁场定向控制。测试结果如图 4 和图 5 所示。
图 3：采用 SiC MOSFET (C3M0075120K) 的 11 kW 电机驱动原型
图 4：效率比较 @ 16 kHz
图 5：效率比较 @ 32 kHz
如上所示，用 SiC 代替 Si IGBT，在 16 kHz 频率下运行，电机驱动效率提高 1.2% 以上，功率损耗降低超过 50%。而相对于 IGBT 器件的效率在高工作频率下会下降，SiC 器件可以轻松地将工作频率由 16 kHz 倍增至 32 kHz，从而有助于缩小无源元件的尺寸，同时保持 98% 以上的效率。
使用 SiC 以更小的散热器实现更高的效率
SiC 在数据中心冷却系统的系统层面具有巨大价值，可提供高效率和高功率密度，同时改善热阻，使冷却系统的整体尺寸更小、成本更低。例如，在一台 25 kW 压缩机中，六开关两电平有源前端 (AFE) 的开关频率为 45 kHz，当使用 Wolfspeed 的 C3M0032120K 分立式 MOSFET (1200 V / 32 mΩ) 取代分立式 IGBT 时，与硅开关频率为 20 kHz 相比，设计人员在前端阶段使用 SiC 可实现 1.3% 的效率提升。而当 Wolfspeed 的额定电流为 30 A 的全桥功率模块 CCB032M12FM3 (WolfPACK) 与额定电流为 50 A 和 100 A 的 Si 基 IGBT 模块（开关频率均为 8 kHz）进行保守基准比较时，逆变器的效率可提高 1.1%。这两项改进结合在一起，系统级效率提高了 2.4%，损耗降低了 50%，令人印象深刻。
在使用 SiC 的逆变器中，最值得注意的改进之一是显著减少了系统产生的热量，使设计人员能够使用更小的散热器，并为数据中心冷却系统设计更小型、更轻量的压缩机，或使用与以前尺寸类似的压缩机实现更多冷却。
图 6：25 kW 逆变器，Fsw = 8 kHz，较大 Si IGBT 散热器：1.37 L (0.7 C/W)，较小 SiC 散热器：0.8 L (0.99 C/W)
与 IGBT 相比，采用 SiC 的逆变器的散热器缩小了 77%，实现了上图中的结果。尽管 Si 模块的散热器要大得多，但 50 A IGBT 模块的结温仍然明显高于 150 C 的温度限制，而 32 A SiC 模块和 100 A IGBT 模块的结温最终都在 129 C 左右。同样值得注意的是，采用 SiC 的逆变器的效率提高了 1.1%。此外，上述效率的提升不仅体现在峰值负载上，也体现在部分负载上。在某些部分负载情况下，效率的提升幅度更大，非常适合数据中心冷却系统的典型负载情况。
总之，在一个三相供电、25 kW 系统中使用更小尺寸、更加优化的散热器结合 SiC 开关元件，可以减少 600 W 的损耗，总体效率提高 2.4%，同时使整个冷却系统更小型、更轻量。
结语
总之，在 11 kW 和 25 kW 数据中心冷却系统中，采用 Wolfspeed SiC 1200 V MOSFET 和功率模块取代传统的 Si IGBT，可显著提高整体系统效率，最高可将整体系统效率提高达 2.4%。在整个负载曲线中，可以实现更高功率水平下的高效率提升，从而节省大量能源。SiC 还可通过缩小无源元件和散热器来提高功率密度，从而优化整体系统成本和尺寸。此外，SiC 器件结温高、散热性能好、损耗低，使设计人员能够构建更紧凑的系统，从而轻松集成驱动和电机，并引领下一代高效数据中心冷却系统。
关于 Wolfspeed, Inc.
Wolfspeed（美国纽约证券交易所上市代码: WOLF）引领碳化硅（SiC）技术在全球市场的采用。我们为高效能源节约和可持续未来提供业界领先的解决方案。Wolfspeed 产品家族包括了 SiC 材料、功率器件，针对电动汽车、快速充电、可再生能源和储能等多种应用。我们通过勤勉工作、合作以及对于创新的热情，开启更多可能。了解更多详情，敬请访问 www.wolfspeed.com。
