設(shè)計下一代碳化硅數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)

數(shù)據(jù)中心是數(shù)字世界的支柱,容納了為互聯(lián)網(wǎng)、云計算和其他數(shù)據(jù)驅(qū)動服務(wù)提供動力的大型服務(wù)器。隨著對這些服務(wù)的需求增加,他們消耗的能源也會增加。

在美國,數(shù)據(jù)中心在2020年的用電量估計為90太瓦小時,約占美國總用電量的1.8%。用電。預(yù)計到2030年,這一數(shù)字將增加到140億噸,增幅為56%。人工智能(AI)應(yīng)用程序的全球性增加給數(shù)據(jù)中心的耗電造成了進(jìn)一步的壓力,從而需要更多的服務(wù)器,進(jìn)而需要更多的電源來運行它們。全球數(shù)據(jù)中心的增長使得系統(tǒng)設(shè)計者必須找到新的方法來減少耗電量,同時提高計算能力。

數(shù)據(jù)中心是一個復(fù)雜的系統(tǒng),有很多方法可以降低整體的耗電量.在各種子系統(tǒng)中,數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)占其總能耗的很大一部分,估計從20%到45%不等。確切的百分比可以根據(jù)所使用的冷卻系統(tǒng)的類型、位置的氣候和正在冷卻的信息技術(shù)設(shè)備而有所不同。碳化硅可大大提高數(shù)據(jù)中心內(nèi)冷卻系統(tǒng)的效率,使系統(tǒng)損失減少高達(dá)50%,達(dá)到全球效率標(biāo)準(zhǔn),并通過降低噪音、加快轉(zhuǎn)速和更精確的控制提高系統(tǒng)性能。

全系統(tǒng)損失減少高達(dá)60%

數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)包括一個AC-DC(主動前端)階段和一個DC-AC逆變階段。使用六個?1200 V SiC MOSFETs (C3M0075120K)在三相供應(yīng)的11千瓦冷卻系統(tǒng)中,設(shè)計者可以實現(xiàn)0.9%的效率提高。當(dāng)逆變器也升級為1200VC3M0075120KSMOSFET時,還可以實現(xiàn)額外的改進(jìn)。下面,圖1和圖2顯示了一個典型的1200伏碳離子體MOSFET的導(dǎo)電損耗和開關(guān)損耗與一個1200伏IGBT與同一額定電流的比較。在低負(fù)載下,碳化物MOSFET傳導(dǎo)損失高達(dá)IGBT的一半,通過消除開關(guān)尾流,開關(guān)損失比IGBT少90%。

圖1:傳導(dǎo)損失,1200伏所需的MOSFET與IGBT

圖2:開關(guān)損耗,1200伏特/IGBT

由于開關(guān)損耗較小,硅氧化物MOSIFT的開關(guān)頻率比IGBT的要高得多,使系統(tǒng)設(shè)計者可以在變速風(fēng)扇驅(qū)動器中使用較小和較輕的變壓器。小型變壓器意味著減少銅的損失,進(jìn)一步提高能源效率。此外,較高的開關(guān)頻率能夠更精確地控制風(fēng)扇的速度,確保在不同負(fù)載條件下的最佳冷卻性能。隨著光負(fù)荷傳導(dǎo)損失的改善,碳化硅氧化硅材料的MOSIFT能夠在所有負(fù)載條件下實現(xiàn)更平坦、高效率的曲線,進(jìn)一步有利于變速應(yīng)用。

如圖3所示,沃爾夫斯速度最新發(fā)布的11千瓦高效三相電動機驅(qū)動逆變器(?CRD-11DA12N-K )的目的是測試沃爾夫斯派特在工業(yè)加熱和冷卻應(yīng)用中的1200伏四氟乙烯材料。該設(shè)計實現(xiàn)了99%的峰值效率和98.6%的完全負(fù)載效率;550-850VDC的寬工作電壓范圍和閉環(huán)傳感器磁場定向控制。測試結(jié)果見圖4和圖5。

圖3:11kw三相電動機驅(qū)動逆變器,采用1200VSMOSFET(C3M0075120K)

圖4:效率比較@16KZ

圖5:效率比較@32KZ

如上所述,通過用碳化硅代替硅,在16KZ運行,電動機的驅(qū)動效率可以提高1.2%,減少50%的電力損失。隨著IGBT器件在高工作頻率下的效率下降,碳化硅器件可以很容易地將工作頻率從16千赫提高到32千赫,以幫助縮小無源元件的尺寸,同時保持98%的效率。

使用碳化硅進(jìn)行小型熱吸收,達(dá)到更高的效率

在數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)中,硅碳化物在系統(tǒng)層面上具有巨大的價值,它提供了更高的效率和功率密度,提高了熱電阻,并使整體規(guī)模更小、成本更低的冷卻系統(tǒng)成為可能。例如,在一個擁有一個6-開關(guān)2級有源前端(AFE)在45千赫茲下開關(guān)的25千瓦壓縮機中,設(shè)計人員可以在前端階段利用SIC實現(xiàn)1.3%效率的提高,在20千赫茲時,與硅開關(guān)相比,當(dāng)離散IGBT被沃爾夫速度的?C3M0032120K 離散教育和體育部(1200伏/32兆姆)。當(dāng)沃爾夫速度30A級全橋功率模塊時,逆變器的效率可以提高1.1%?CCB032M12FM3(沃夫包)是保守的基準(zhǔn),與50A和100A級的Si-IGBT模塊,都是在8千赫茲切換。這兩種變化在提高效率方面產(chǎn)生了令人印象深刻的2.4%,在整個系統(tǒng)中減少了50%的損失。

碳化硅逆變器最值得注意的改進(jìn)之一是系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量顯著減少,使設(shè)計人員能夠使用較小的散熱器,并設(shè)計用于數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)的整體較小、較輕的壓縮機,或者能夠使用與以前相同尺寸的壓縮機進(jìn)行更多的冷卻。

圖6： 25 kW逆變器，F(xiàn)sw = 8 kHz，較大的Si IGBT散熱器： 1.37 L(0.7 C/W)，較小的碳化硅散熱器0.8 L(0.99 C/W)

結(jié)果與IGBT相比,碳化硅逆變器的熱沉小了77%。盡管硅合金模塊的溫度下降幅度要大得多,但50a?IGbt 模塊的連接溫度仍然明顯高于150℃的溫度限制,但32個碳化硅模塊和100個IGBT模塊最終都處于大約129℃的相同連接溫度。另外值得注意的是碳化硅逆變器的效率提高了1.1%.此外,上述效率的提高不僅是在峰值負(fù)載,而且在局部負(fù)載.在某些局部載荷下,效率的提高更大,這是理想的適合數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)的典型負(fù)載特征。

總之,在三相供應(yīng)的情況下,使用減少的和更優(yōu)化的碳化硅散熱器,25千瓦系統(tǒng)可使整體效率提高2.4%,減少損失600W,同時使整體冷卻系統(tǒng)更小、更輕。

結(jié)論

總之,用碳化硅?1200 V MOSFETS 和?電源模塊在11千瓦和25千瓦數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)可以顯著提高整體系統(tǒng)效率,使整體系統(tǒng)效率提高了2.4%。在更高的功率水平上提高效率是可能的,在整個負(fù)荷配置,導(dǎo)致大規(guī)模節(jié)能。碳化硅還通過較小的無源元件和散熱器提高功率密度,并導(dǎo)致整體系統(tǒng)成本和尺寸優(yōu)化。此外,高連接溫度的可能性和改善的熱耗散的碳化硅器件加上較低的損耗,使設(shè)計者能夠建立更緊湊的系統(tǒng),使驅(qū)動器和電動機易于集成,并引導(dǎo)下一代高效的數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)。