數(shù)字化和云服務(wù)等高計算領(lǐng)域的爆發(fā)式發(fā)展，對數(shù)據(jù)中心的計算、存儲、傳輸?shù)确矫嬗辛烁叩男枨?，隨之而來的是數(shù)據(jù)中心對電力的消耗愈發(fā)龐大，如今電力成本已占總運營成本達60%，而根據(jù)中國IDC圈數(shù)據(jù)，2021年全國數(shù)據(jù)中心的耗電量超2100億Kwh，到2025年我國的數(shù)據(jù)中心耗電量預(yù)計將增長至近4000億Kwh，數(shù)據(jù)中心耗電量占全國用電量比重預(yù)計將從2018年的1.6%增長至2025年的5.8%。
數(shù)據(jù)中心對于電能的巨大需求，刺激了能夠減少電力損失、提高效率和加強熱控制等的電源解決方案的發(fā)展，比如在電力轉(zhuǎn)換中使用以碳化硅為代表的寬帶隙（WBG）功率器件，通過在電源和冷卻系統(tǒng)中采用碳化硅器件，數(shù)據(jù)中心可以實現(xiàn)更高的效率并降低總體能源使用量。
數(shù)據(jù)中心是一個容納聯(lián)網(wǎng)的計算機服務(wù)器的結(jié)構(gòu)，用于電子處理、存儲和數(shù)據(jù)分發(fā)，由于創(chuàng)建、處理和存儲的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)量不斷增加，能源需求也不斷上升。據(jù)了解，數(shù)據(jù)中心的總能耗主要由IT設(shè)備、制冷設(shè)備、供配電系統(tǒng)和照明設(shè)施等設(shè)備所產(chǎn)生的能耗組成。
在這些設(shè)備中，存在許多電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，包括AC/DC、DC/AC和DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器等多種典型結(jié)構(gòu)，整個數(shù)據(jù)中心的效率完全取決于這些轉(zhuǎn)換器，而降低在轉(zhuǎn)換器中的損耗正是節(jié)省能源提高效率的關(guān)鍵。
數(shù)據(jù)中心的效率通常用電力使用效率（PUE）來衡量，定義為數(shù)據(jù)中心總能耗與IT設(shè)備能耗之比，其值大于1，越接近1，表明非IT設(shè)備耗能越少，即能效水平越好。根據(jù)國家可再生能源實驗室的數(shù)據(jù)，國內(nèi)數(shù)據(jù)中心的平均PUE約為1.8，而國外一些注重效率的數(shù)據(jù)中心經(jīng)常達到1.2甚至更低的PUE值，現(xiàn)在面對日益增長的算力需求，單機柜的功率密度快速增長，對PUE的要求也越來越嚴(yán)苛，國家已經(jīng)要求新建大型、超大型數(shù)據(jù)中心的PUE達到1.4以下，這刺激了數(shù)據(jù)中心對碳化硅器件的需求。? ?
碳化硅能提供高擊穿電壓、高開關(guān)頻率，以及降低傳導(dǎo)和開關(guān)損耗，從而實現(xiàn)更好的散熱和更小的外形尺寸，這使得電源的轉(zhuǎn)換效率更高，而效率每提高一個百分點，整個數(shù)據(jù)中心就能節(jié)省千瓦級電力，這樣的效益已經(jīng)十分可觀，據(jù)Wolfspeed介紹，使用了SiC器件的電源具有更好的熱性能，可節(jié)省多達40%的冷卻能源成本。
目前隨著處理器和服務(wù)器功率的增加，數(shù)據(jù)中心每個機架的功耗也越來越高，為了滿足新的能效要求，企業(yè)數(shù)據(jù)中心電力部門采用48V架構(gòu)電源供電，這就需要2-4kW的電源模塊，行業(yè)正朝著更高的功率密度不斷發(fā)展，在此之中，碳化硅的優(yōu)越性能將更加顯著。
碳化硅功率器件在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用最多的是UPS設(shè)備。UPS對數(shù)據(jù)中心來說是必不可少的，為了防止輸電故障或中斷對其運營產(chǎn)生潛在的災(zāi)難性影響，電源冗余對于確保數(shù)據(jù)中心的運行連續(xù)性和可靠性至關(guān)重要，為滿足這一要求，經(jīng)常采用與電壓和頻率無關(guān)的 (VFI) UPS 系統(tǒng)，一個 AC/DC 轉(zhuǎn)換器（整流器）、一個 DC/AC 轉(zhuǎn)換器（逆變器）和一個 DC Link 組成了一臺 VFI UPS 設(shè)備。
旁通開關(guān)主要在維護期間使用，將UPS輸出直接連接到輸入端的交流電源上，在發(fā)生停電等故障情況下，則通常由電池組連接到轉(zhuǎn)換器為電源供電，由于輸入端的交流電壓被轉(zhuǎn)換為直接電壓，然后再次轉(zhuǎn)換為精確的正弦輸出電壓，這些設(shè)備通常是雙轉(zhuǎn)換電路，碳化硅器件使得在雙轉(zhuǎn)換UPS系統(tǒng)中的功率損失大大減少（>70%），這使得整流器可以長時間以超過98%的高效率運行。
使用碳化硅的UPS設(shè)備擁有更好的熱損值，能在更高的溫度下運行，因此可以采用更加緊湊和經(jīng)濟的冷卻設(shè)計方案，尺寸減小占地面積也更少，這也增加了特定區(qū)域內(nèi)的可用電力容量，總而言之，基于碳化硅的UPS更輕、更小，也能在不增加占地面積的情況提供更高的功率和效率，而這些正是數(shù)據(jù)中心服務(wù)商所考慮的關(guān)鍵因素。
我國數(shù)據(jù)中心市場在迅速增長，《中國第三方IDC行業(yè)財務(wù)數(shù)據(jù)回顧及未來展望》顯示，在市場供給和需求的雙輪驅(qū)動下，我國數(shù)據(jù)中心市場規(guī)模不斷增長，2022年我國數(shù)據(jù)中心市場規(guī)模約1900億元，近五年年均復(fù)合增長率高達30.0%，2023年市場規(guī)模有望達到2470億元，數(shù)據(jù)中心有望給碳化硅帶來新的市場機遇。
近來國內(nèi)外廠商也在積極推出適用于數(shù)據(jù)中心的碳化硅器件，如今年5月，納微半導(dǎo)體宣布推出第五代高速GeneSiC碳化硅功率二極管，這款650伏的混合式PIN-肖特基 (MPS?)二極管采用獨特的PiN-Schottky結(jié)構(gòu)，提供低內(nèi)置電壓偏置（低門檻電壓）以實現(xiàn)在各種負(fù)載條件下的最高效率和卓越的魯棒性，可有效滿足數(shù)據(jù)中心、工業(yè)電機驅(qū)動、太陽能和消費電子等要求嚴(yán)格的應(yīng)用需求。
基本半導(dǎo)體也在今年5月推出了第二代碳化硅MOSFET系列新品，其基于6英寸晶圓平臺進行開發(fā)，比上一代產(chǎn)品在比導(dǎo)通電阻、開關(guān)損耗以及可靠性等方面表現(xiàn)更為出色，并且在原有TO-247-3、TO-247-4封裝的產(chǎn)品基礎(chǔ)上，基本半導(dǎo)體還推出了帶有輔助源極的TO-247-4-PLUS、TO-263-7及SOT-227封裝的碳化硅MOSFET器件，適用于數(shù)據(jù)中心UPS、PFC電源，以及新能源汽車、充電樁、太陽能逆變器等。
綜合來看，碳化硅等寬帶隙材料擁有全面的優(yōu)勢，包括提高系統(tǒng)效率，降低冷卻系統(tǒng)要求，在更高溫度下運行，以及更高的功率密度等，能幫助數(shù)據(jù)中心運營商實現(xiàn)了更高的效率，最大限度地利用地面空間并降低整個設(shè)施的運營成本，考慮到數(shù)據(jù)中心不斷增長的規(guī)模，減輕能耗已成為整個數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的重要課題，而碳化硅無疑將在其中扮演重要的角色。
參考資料：
1、碳化硅器件在UPS中的應(yīng)用研究
https://mp.weixin.qq.com/s/1yn-3NWlGHPmzasP5-dNIQ
2、“雙碳”風(fēng)口，寬禁帶半導(dǎo)體“飛”進數(shù)據(jù)中心
https://mp.weixin.qq.com/s/HFI7j3HzKGZMWuFBhlS7GA
原文始發(fā)于微信公眾號（艾邦半導(dǎo)體網(wǎng)）：市場2470億元！數(shù)據(jù)中心成為碳化硅的又一機遇
