SiC為數據中心的冷卻風(fēng)扇提供高密度電源

碳化硅 （SiC） 正在接管電動(dòng)汽車(chē)中的三相牽引逆變器，將電池中的直流電轉換為用于控制電機的交流電。但是，由于 SiC 能夠處理更高的電壓、更好的散熱和更快的開(kāi)關(guān)頻率，因此也適用于更緊湊的電動(dòng)機中的三相逆變器。其中包括數據中心的電子換向 （EC） 冷卻風(fēng)扇，這些風(fēng)扇消耗了更多的電力來(lái)運行 AI 訓練和推理，并在此過(guò)程中產(chǎn)生了更多的熱量。

onsemi 推出了第一代基于 SiC 的智能功率模塊 （IPM），與 IGBT 相比，為這些冷卻風(fēng)扇帶來(lái)了更高的功率密度和效率。1,200 V 模塊基于其“M3”SiC MOSFET，專(zhuān)為減少硬開(kāi)關(guān)情況下的損耗并增加短路耐受時(shí)間 （SCWT） 而設計。IPM 也是高度集成的，包括用于控制 SPM 31 封裝中的 SiC MOSFET 的柵極驅動(dòng)器。它們可以處理 50 W 至 10 kW 的功率。

新的 EliteSiC IPM 系列涵蓋 40 至 70 A 的多個(gè)額定電流。安森美（onsemi）在佐治亞州亞特蘭大舉行的應用電力電子會(huì )議（APEC）上展示了這些新型功率模塊。

冷卻風(fēng)扇：現代數據中心的必備

如今，科技巨頭和初創(chuàng )公司正在建設巨大且越來(lái)越耗電的數據中心，以在 AI 競賽中保持領(lǐng)先地位。因此，對 EC 冷卻風(fēng)扇的需求正在迅速增加，onsemi 表示。

高性能 AI 芯片正在消耗大量功率來(lái)處理訓練和推理。作為 NVIDIA 最新 Al 加速器的核心，Blackwell GPU 在峰值負載下可消耗高達 1,200 W 的功率。

這種 AI 芯片將數據中心的功率需求從目前的 15 kW 到 30 kW 提高到每個(gè)機架 100 kW 以上。然而，在數據中心周?chē)╇娚婕半娏﹄娮悠骷脑S多階段，這些階段會(huì )對其進(jìn)行轉換和調節，這可能會(huì )增加大量的功率損失，從而產(chǎn)生熱量。

這種情況需要更小、更高效的冷卻技術(shù)，特別是液體冷卻，因為僅靠傳統的空氣冷卻無(wú)法減輕產(chǎn)生的熱量。雖然冷卻風(fēng)扇現在被廣泛用于維持數據中心的最佳運行條件，但它們往往體積大且耗電。

如今，冷卻約占數據中心運行所需電力的 40%。隨著(zhù) AI 的需求將未來(lái)每機架功率要求推高到 200 kW 以上，這種情況只會(huì )增長(cháng)。

安森美表示，通過(guò)用 SiC MOSFET 取代 IGBT，它可以為這些冷卻風(fēng)扇帶來(lái)更高的功率密度、效率和可靠性，同時(shí)降低系統級的成本和復雜性。例如，onsemi 表示，在負載電流為 70% 時(shí)，與功率損耗為 500 W 的基于 IGBT 的 IPM 相比，在功率逆變器中集成 SiC IPM 可以將每個(gè)冷卻風(fēng)扇的功率和成本降低 50% 以上。

高度集成且靈活的 IPM

基于 SiC 的 IPM 內部的 6 個(gè)電源開(kāi)關(guān)布置在一個(gè)三相橋中。功率逆變器有幾個(gè)支路，每個(gè)支路負責控制其中一個(gè)交流輸出相位中的電流。每個(gè)相位都有一個(gè)上開(kāi)關(guān)和一個(gè)下開(kāi)關(guān)。安森美表示，新型 IPM 為小腿提供了單獨的源連接，使客戶(hù)在選擇控制算法時(shí)具有更大的靈活性。SiC MOSFET 的更快開(kāi)關(guān)通過(guò)減少系統中的磁性元件和其他無(wú)源元件來(lái)提高功率密度。

新型 IPM 也是高度集成的，包括用于控制 SiC MOSFET 的獨立高壓側柵極驅動(dòng)器 IC 和其他用于保護功能的控制 IC。例如，欠壓保護可防止在電壓低時(shí)損壞設備。

IPM 在封裝內部還有一個(gè)溫度傳感器，特別是熱敏電阻，用于監控熱情況。其他內置元件包括自舉二極管和電阻器以及內部升壓二極管，以增加高側柵極驅動(dòng)器的驅動(dòng)電壓。

基于 SiC 的 IPM 的核心創(chuàng )新之一是使用更先進(jìn)的直接鍵合銅 （DBC） 基板，該基板具有非常低的熱阻，有助于熱性能和散熱。