Карбид кремния позволяет повысить КПД и удельную мощность ИБП с двойным преобразованием

23 ноября

управление питаниемуправление двигателемWolfspeedстатьядискретные полупроводникиAC-DCMotor DriveSiC MOSFETSIC module

Построение источников бесперебойного питания с двойным преобразованием, широко используемых в современных хранилищах данных, на базе карбид-кремниевых MOSFETs производства Wolfspeed позволяет уменьшить мощность потерь в них до 40%, а также значительно снизить занимаемый ими объем и стоимость комплектующих.

Современные информационные технологии, такие как облачные хранилища данных или виртуальные интернет-магазины, давно стали частью нашей жизни, а их наличие и бесперебойная работа теперь являются обязательными условиями для успешной реализации коммерческих проектов любого уровня. Однако круглосуточная поддержка подобных сервисов приводит к ощутимому росту общемирового энергопотребления. На сегодняшний день центры хранения и обработки данных потребляют более 2% всей электрической энергии. Только в США данные объекты потребляют в год около 90 ТВт∙ч электроэнергии, для выработки которой требуется приблизительно 30 крупных тепловых электростанций [1].

Такой уровень энергопотребления заставляет правительства многих стран принимать дополнительные меры по повышению эффективности использования электроэнергии, потребляемой для этих целей. В число таких мер входит увеличение КПД и коэффициента мощности устройств, обеспечивающих питание информационного оборудования. Например, в странах Европейского союза разработаны Рекомендации по повышению энергетической эффективности центров обработки данных (Code of Conduct for Energy Efficiency in Data Centres), в которых содержится призыв максимально реализовывать все рентабельные способы снижения уровня энергопотребления для уменьшения экологической нагрузки на окружающую среду [2].

Повышенные требования к уровню энергоэффективности центров обработки данных приводят к ужесточению требований к источникам бесперебойного питания (ИБП), ведь они обеспечивают прикладное информационное оборудование электрической энергией 24 часа в сутки и семь дней в неделю. Поскольку большинство ИБП, используемых для этих задач, строятся по технологии двойного преобразования, то от их параметров напрямую зависит как количество используемой энергии, так и качество ее потребления. Таким образом, улучшение характеристик ИБП является ключевым условием повышения энергоэффективности большинства коммерческих проектов, связанных с ИТ-сферой.

Особенности ИБП с двойным преобразованием

ИБП с двойным преобразованием содержат два основных преобразовательных узла: выпрямитель и инвертор (рисунок 1). В нормальном режиме работы входное переменное напряжение вначале преобразуется с помощью выпрямителя в постоянное, а затем с помощью инвертора – снова в переменное. Аккумуляторная батарея, содержащая аварийный запас энергии, подключается к промежуточной шине постоянного напряжения с помощью дополнительного двунаправленного преобразователя, обеспечивающего согласование напряжений и защиту аккумулятора. Такой принцип построения, во-первых, обеспечивает наивысшую скорость срабатывания ИБП, поскольку при аварии в системе электроснабжения инвертор начинает сразу же использовать энергию, накопленную в аккумуляторе, а во-вторых, устраняет все отклонения входного напряжения как по величине, так и по форме, в том числе обеспечивает эффективное подавление высокочастотных помех, присутствующих в сети.

Основным недостатком ИБП этого типа является двойное преобразование всей электрической энергии, потребляемой оборудованием, на каждом этапе которого возникают потери. Из-за этого у ИБП с двойным преобразованием КПД обычно меньше, чем у ИБП других типов. Кроме того, от формы тока, потребляемого выпрямителями, напрямую зависит коэффициент мощности всей системы, поэтому не зря компания Wolfspeed обозначает эти узлы как «Active Front End» (AFE), подчеркивая, что этот узел должен еще и обеспечивать синусоидальную форму потребляемого тока.

Рис. 1. Структурная схема ИБП с двойным преобразованием

Рис. 1. Структурная схема ИБП с двойным преобразованием

Силовые части выпрямителя и инвертора практически одинаковы. И в том, и в другом узле используются три полумостовых каскада – по одному на каждую фазу. Основная разница заключается в принципах управления. Для выпрямителя ключевым контролируемым параметром является форма потребляемого тока, в то же время инвертор должен как обеспечивать генерацию стабильного синусоидального выходного напряжения, так и ограничивать выходной ток при возможных авариях в цепи нагрузки. Двунаправленный преобразователь постоянного напряжения обычно состоит из двух полумостовых каскадов и необходим для согласования напряжения промежуточной шины постоянного тока с напряжением аккумуляторной батареи.

Сравнительный анализ ИБП на различной элементной базе 

На сегодняшний день существует достаточно большой выбор элементной базы, на основе которой можно создать ИБП с двойным преобразованием мощностью более 200 кВт [3], однако до недавнего времени в качестве силовых ключей в узлах преобразования напряжения использовались только кремниевые биполярные транзисторы с изолированным затвором (Insulated Gate Bipolar Transistors, IGBT). Сейчас ситуация изменилась, и стремительное повышение качества и надежности высоковольтных карбид-кремниевых полевых транзисторов (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor, MOSFET) позволяет как повысить технические характеристики ИБП – КПД и удельную мощность – так и снизить общий уровень энергопотребления всей ИТ-инфраструктуры.

В качестве опорной точки рассмотрим одну из лучших конструкций ИБП двойного преобразования на основе кремниевых IGBT (рисунок 2). В этой системе для того, чтобы достичь компромисса между физическими размерами и приемлемой величиной потерь, частоту переключений IGBT пришлось снизить до 8 кГц. Но даже при использовании столь низкой частоты преобразования для охлаждения силовых транзисторов потребовались радиаторы достаточно большого размера вместе с комплектом мощных вентиляторов для их обдува.

Мощность потерь в полупроводниковых компонентах выпрямителя на основе кремниевых IGBT достигает 1,1 кВт. При таком уровне тепловыделения кристаллы транзисторов и диодов разогреваются до температур, соответственно, 130 и 140°С при температуре корпуса модуля 40°С. Однако для того, чтобы достичь таких температур, требуется система принудительного охлаждения объемом приблизительно 6,4 л.

Рис. 2. Силовая часть ИБП с двойным преобразованием на основе кремниевых IGBT

Рис. 2. Силовая часть ИБП с двойным преобразованием на основе кремниевых IGBT

Не лучше обстоит дело и с преобразователем постоянного напряжения. Общие потери в каждом из модулей этого узла достигают 590 Вт. При таком уровне тепловыделения температура диодов в силовой части достигает 75°С, в то время как кристаллы IGBT разогреваются до 136°С. Из-за этого для снижения температуры данных полупроводниковых элементов требуется система принудительного охлаждения объемом около 3 л. Использование столь низкой частоты переключений привело также и к увеличению размеров реактивных элементов преобразователя. Например, для работы на такой частоте потребовался дроссель с индуктивностью 100 мкГн и объемом 1,9 л, потери в котором достигают 182 Вт, а также блок фильтрующих конденсаторов с общей емкостью 2,32 мФ, занимающий в корпусе ИБП объем около 3,6 л.

ИБП с двойным преобразованием, построенный на основе карбид-кремниевых MOSFET, имеет практически такую же схему силовой части, как и при использовании кремниевых IGBT (рисунок 3). Однако лучшие характеристики приборов на основе карбида кремния позволили увеличить частоту переключения транзисторов до 25 кГц. Но даже при повышенной частоте энергетические характеристики ИБП на карбид-кремниевой основе оказываются лучше, чем при использовании традиционных кремниевых IGBT. В частности, замена в выпрямителях ИБП кремниевых IGBT на карбид-кремниевые MOSFET позволила:

  • уменьшить потери в полупроводниковых компонентах до 662 Вт;
  • увеличить рабочую температуру кристаллов приблизительно до 164°С при той же температуре поверхности модулей (40°С) (карбид-кремниевые приборы могут работать при температуре кристаллов до 600°С, поэтому, в отличие от кремния, максимальная температура транзисторов и диодов из карбида кремния ограничена только характеристиками корпусов, в которых они установлены, обычно 175°С);
  • уменьшить размеры полупроводниковых модулей за счет уменьшения общего  количества кристаллов, поскольку MOSFET, в отличие от IGBT, имеют встроенные антипараллельные диоды;
  • уменьшить размеры системы принудительного охлаждения до 3,7 л на модуль за счет меньшего уровня потерь и повышения температуры кристаллов.

Рис. 3. Силовая часть ИБП с двойным преобразованием на основе карбид-кремниевых MOSFET

Рис. 3. Силовая часть ИБП с двойным преобразованием на основе карбид-кремниевых MOSFET

Не менее эффективным оказалось и использование карбид-кремниевых MOSFET в преобразователях постоянного напряжения. Поскольку каналы MOSFET, в отличие от IGBT, способны пропускать ток в обоих направлениях, то при построении преобразователя на этой элементной базе можно использовать технологию синхронного выпрямления. В этом случае обратный ток каждого силового ключа протекает не через антипараллельные диоды, как в случае использования IGBT, а через каналы MOSFET с более низким сопротивлением, что приводит к значительному снижению величины статических потерь. В конечном итоге замена в преобразователе постоянного напряжения кремниевых IGBT на карбид-кремниевые MOSFET позволила:

  • значительно уменьшить потери в полупроводниковых приборах – до 284 Вт в одном модуле;
  • увеличить температуру кристаллов MOSFET до 143°С при температуре внешней поверхности корпуса модуля 40°С;
  • уменьшить объем, занимаемый системой принудительного охлаждения, до 1,9 л;
  • уменьшить, за счет перехода на более высокую частоту переключений, индуктивность силовых дросселей до 130 мкГн, в результате чего их объем уменьшился до 1,3 л, а потери – до 137 Вт;
  • уменьшить, также за счет повышения частоты переключений, емкость силовых конденсаторов до 740 мкФ, в результате чего объем, занимаемый ими, теперь равен всего 1,2 л.

Кроме того, переход на более высокие частоты позволил заменить в силовых цепях электролитические конденсаторы пленочными, что привело к дополнительному увеличению уровня надежности и срока службы ИБП.

В конечном итоге, поэлементное сравнение двух ИБП одинаковой мощности (рисунок 4), один из которых реализован на основе традиционных кремниевых IGBT, а второй – на основе карбид-кремниевых MOSFET-модулей семейства XM3 производства компании Wolfspeed, показывает убедительное преимущество нового полупроводникового материала. В частности, построение силовой части на основе карбид-кремниевых MOSFET позволяет:

  • уменьшить мощность потерь в полупроводниковых компонентах на 40%, в результате чего объем, занимаемый системой их принудительного охлаждения, уменьшился на 42%, а ее стоимость – на 43%;
  • уменьшить размеры силовых дросселей на 37%, потери в этих элементах – на 20%, а их стоимость – на 23%;
  • уменьшить объем, занимаемый силовыми конденсаторами, на 67%, а их стоимость – на 66%.

Рис. 4. Сравнение размеров элементной базы для построения ИБП с двойным преобразованием на основе кремниевых и карбид-кремниевых полупроводниковых приборов

Рис. 4. Сравнение размеров элементной базы для построения ИБП с двойным преобразованием на основе кремниевых и карбид-кремниевых полупроводниковых приборов

Преимущества SiC на системном уровне

Кроме обеспечения высокого значения КПД, в число основных функций ИБП входят хранение необходимого запаса энергии, обеспечение бесперебойного электроснабжения питаемого оборудования напряжением требуемого качества, в том числе – устранение проблем, связанных с отклонением амплитуды и формы входного напряжения, а также формирование синусоидального потребляемого тока для обеспечения высокого значения коэффициента мощности. Кроме этого, ИБП должен иметь минимально возможные размеры, поскольку от этого непосредственно зависит, например, стоимость арендной платы помещения, в котором он установлен. Таким образом, увеличение КПД и коэффициента мощности ИБП приведет к уменьшению счетов на электроэнергию (при использовании того же информационного оборудования), увеличение удельной мощности – либо к уменьшению арендной платы за счет потребности в помещении меньшего размера, либо к улучшению качества предоставляемых сервисов, например, за счет установки дополнительных аккумуляторов в освободившийся объем.

В данном случае построение ИБП мощностью 200 кВт на основе карбид-кремниевых силовых модулей XM3 производства компании Wolfspeed позволит уменьшить общую стоимость системы на 35%, а уровень потерь – на 38% по сравнению с ИБП такой же мощности, выполненным на основе кремниевых IGBT. Это означает, что практическое использование системы на основе карбид-кремниевых приборов приведет к ежегодному уменьшению энергопотребления на 25,91 МВт∙ч, что при стоимости электроэнергии 0,1 доллара за киловатт-час эквивалентно 2591 долларам.

Следует отметить, что переход на карбид-кремниевую элементную базу позволяет повысить и качество выходного напряжения. Результаты моделирования напряжения на промежуточной шине постоянного тока (рисунок 5) показывают, что при резком изменении тока нагрузки схеме управления ИБП на основе кремниевых IGBT необходимо приблизительно 16,4 мс для стабилизации этого напряжения. Причиной столь медленной реакции во многом является низкая частота переключений (8 кГц), а ИБП на основе карбид-кремниевых модулей, переключающихся с частотой 25 кГц, реагируют на подобное событие практически в три раза быстрее – за 4,9 мс.

Рис. 5. Результаты моделирования напряжения на промежуточной шине постоянного тока при изменении тока нагрузки ИБП с 10% до 100%

Рис. 5. Результаты моделирования напряжения на промежуточной шине постоянного тока при изменении тока нагрузки ИБП с 10% до 100%

Оценить эти и другие положительные свойства карбид-кремниевых технологий можно на основе опорного проекта CRD250DA12E-XM3, содержащего комплект плат, образующих полноценный трехфазный ИБП с максимальной мощностью 250 кВт. Выходной ток каждой фазы предлагаемого ИБП достигает 300 А (действующее значение), а напряжение промежуточной шины постоянного тока равно 900 В (максимальное значение). Несмотря на повышенную выходную мощность, вес этого устройства не превышает 6,2 кг, а его объем – 9,3 л. Более подробную информацию об этом проекте, в том числе об особенностях его заказа, можно получить в любой момент, связавшись со специалистами компании Wolfspeed или ее дистрибьюторов.

Список источников

  1. Global Market Insights, Data Center UPS Market report for 2020–2026
  2. Code of Conduct for Energy Efficiency in Data Centres
  3. Silicon Carbide Enables PFC Evolution

Оригинал статьи

Перевел Александр Русу по заказу АО Компэл

•••

Наши информационные каналы

О компании WOLFSPEED

Компания Wolfspeed является мировым лидером в производстве полупроводниковых кристаллов из карбида кремния (SiC) и приборов на их основе. Полевые транзисторы, диоды и другие полупроводниковые приборы на основе карбида кремния обладают рядом преимуществ по сравнению с аналогичными кремниевыми приборами. Среди них – рабочая температура кристалла до 600°С, высокое быстродействие, радиационная стойкость. В настоящее время Wolfspeed производит высоковольтные SiC диоды, SiC MOSFET, SiC силовые моду ...читать далее

Товары
Наименование
CAB011M12FM3 (CREE PWR)
CAB016M12FM3 (CREE PWR)
CAB400M12XM3 (CREE PWR)
CAB425M12XM3 (CREE PWR)
CAB450M12XM3 (CREE PWR)
CAS120M12BM2 (CREE PWR)
CAS300M17BM2 (CREE PWR)
CAS300M12BM2 (CREE PWR)