SiC為數據中心的冷卻風扇提供高密度電源

碳化硅 （SiC） 正在接管電動汽車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關頻率，因此也適用于更緊湊的電動機中的三相逆變器。其中包括數據中心的電子換向 （EC） 冷卻風扇，這些風扇消耗了更多的電力來運行 AI 訓練和推理，并在此過程中產生了更多的熱量。

onsemi 推出了第一代基于 SiC 的智能功率模塊 （IPM），與 IGBT 相比，為這些冷卻風扇帶來了更高的功率密度和效率。1,200 V 模塊基于其“M3”SiC MOSFET，專為減少硬開關情況下的損耗并增加短路耐受時間 （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議（APEC）上展示了這些新型功率模塊。

冷卻風扇：現代數據中心的必備

如今，科技巨頭和初創公司正在建設巨大且越來越耗電的數據中心，以在 AI 競賽中保持領先地位。因此，對 EC 冷卻風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 提高到每個機架 100 kW 以上。然而，在數據中心周圍供電涉及電力電子器件的許多階段，這些階段會對其進行轉換和調節，這可能會增加大量的功率損失，從而產生熱量。

這種情況需要更小、更高效的冷卻技術，特別是液體冷卻，因為僅靠傳統的空氣冷卻無法減輕產生的熱量。雖然冷卻風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 AI 的需求將未來每機架功率要求推高到 200 kW 以上，這種情況只會增長。

安森美表示，通過用 SiC MOSFET 取代 IGBT，它可以為這些冷卻風扇帶來更高的功率密度、效率和可靠性，同時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，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 可以將每個冷卻風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 個電源開關布置在一個三相橋中。功率逆變器有幾個支路，每個支路負責控制其中一個交流輸出相位中的電流。每個相位都有一個上開關和一個下開關。安森美表示，新型 IPM 為小腿提供了單獨的源連接，使客戶在選擇控制算法時具有更大的靈活性。SiC MOSFET 的更快開關通過減少系統中的磁性元件和其他無源元件來提高功率密度。

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損壞設備。

IPM 在封裝內部還有一個溫度傳感器，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器的驅動電壓。

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