市场2470亿元!数据中心成为碳化硅的又一机遇

数字化和云服务等高计算领域的爆发式发展,对数据中心的计算、存储、传输等方面有了更高的需求,随之而来的是数据中心对电力的消耗愈发庞大,如今电力成本已占总运营成本达60%,而根据中国IDC圈数据,2021年全国数据中心的耗电量超2100亿Kwh,到2025年我国的数据中心耗电量预计将增长至近4000亿Kwh,数据中心耗电量占全国用电量比重预计将从2018年的1.6%增长至2025年的5.8%。
数据中心对于电能的巨大需求,刺激了能够减少电力损失、提高效率和加强热控制等的电源解决方案的发展,比如在电力转换中使用以碳化硅为代表的宽带隙(WBG)功率器件,通过在电源和冷却系统中采用碳化硅器件,数据中心可以实现更高的效率并降低总体能源使用量。
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市场2470亿元!数据中心成为碳化硅的又一机遇
碳化硅助力数据中心提高效率功率
数据中心是一个容纳联网的计算机服务器的结构,用于电子处理、存储和数据分发,由于创建、处理和存储的数字数据量不断增加,能源需求也不断上升。据了解,数据中心的总能耗主要由IT设备、制冷设备、供配电系统和照明设施等设备所产生的能耗组成。
在这些设备中,存在许多电源转换系统,包括AC/DC、DC/AC和DC/DC电压转换器等多种典型结构,整个数据中心的效率完全取决于这些转换器,而降低在转换器中的损耗正是节省能源提高效率的关键。
数据中心的效率通常用电力使用效率(PUE)来衡量,定义为数据中心总能耗与IT设备能耗之比,其值大于1,越接近1,表明非IT设备耗能越少,即能效水平越好。根据国家可再生能源实验室的数据,国内数据中心的平均PUE约为1.8,而国外一些注重效率的数据中心经常达到1.2甚至更低的PUE值,现在面对日益增长的算力需求,单机柜的功率密度快速增长,对PUE的要求也越来越严苛,国家已经要求新建大型、超大型数据中心的PUE达到1.4以下,这刺激了数据中心对碳化硅器件的需求。   
碳化硅能提供高击穿电压、高开关频率,以及降低传导和开关损耗,从而实现更好的散热和更小的外形尺寸,这使得电源的转换效率更高,而效率每提高一个百分点,整个数据中心就能节省千瓦级电力,这样的效益已经十分可观,据Wolfspeed介绍,使用了SiC器件的电源具有更好的热性能,可节省多达40%的冷却能源成本。
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目前随着处理器和服务器功率的增加,数据中心每个机架的功耗也越来越高,为了满足新的能效要求,企业数据中心电力部门采用48V架构电源供电,这就需要2-4kW的电源模块,行业正朝着更高的功率密度不断发展,在此之中,碳化硅的优越性能将更加显著。
UPS是碳化硅主要应用设备
碳化硅功率器件在数据中心应用最多的是UPS设备。UPS对数据中心来说是必不可少的,为了防止输电故障或中断对其运营产生潜在的灾难性影响,电源冗余对于确保数据中心的运行连续性和可靠性至关重要,为满足这一要求,经常采用与电压和频率无关的 (VFI) UPS 系统,一个 AC/DC 转换器(整流器)、一个 DC/AC 转换器(逆变器)和一个 DC Link 组成了一台 VFI UPS 设备。
旁通开关主要在维护期间使用,将UPS输出直接连接到输入端的交流电源上,在发生停电等故障情况下,则通常由电池组连接到转换器为电源供电,由于输入端的交流电压被转换为直接电压,然后再次转换为精确的正弦输出电压,这些设备通常是双转换电路,碳化硅器件使得在双转换UPS系统中的功率损失大大减少(>70%),这使得整流器可以长时间以超过98%的高效率运行。
使用碳化硅的UPS设备拥有更好的热损值,能在更高的温度下运行,因此可以采用更加紧凑和经济的冷却设计方案,尺寸减小占地面积也更少,这也增加了特定区域内的可用电力容量,总而言之,基于碳化硅的UPS更轻、更小,也能在不增加占地面积的情况提供更高的功率和效率,而这些正是数据中心服务商所考虑的关键因素。
我国数据中心市场在迅速增长,《中国第三方IDC行业财务数据回顾及未来展望》显示,在市场供给和需求的双轮驱动下,我国数据中心市场规模不断增长,2022年我国数据中心市场规模约1900亿元,近五年年均复合增长率高达30.0%,2023年市场规模有望达到2470亿元,数据中心有望给碳化硅带来新的市场机遇。
近来国内外厂商也在积极推出适用于数据中心的碳化硅器件,如今年5月,纳微半导体宣布推出第五代高速GeneSiC碳化硅功率二极管,这款650伏的混合式PIN-肖特基 (MPS™)二极管采用独特的PiN-Schottky结构,提供低内置电压偏置(低门槛电压)以实现在各种负载条件下的最高效率和卓越的鲁棒性,可有效满足数据中心、工业电机驱动、太阳能和消费电子等要求严格的应用需求。
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基本半导体也在今年5月推出了第二代碳化硅MOSFET系列新品,其基于6英寸晶圆平台进行开发,比上一代产品在比导通电阻、开关损耗以及可靠性等方面表现更为出色,并且在原有TO-247-3、TO-247-4封装的产品基础上,基本半导体还推出了带有辅助源极的TO-247-4-PLUS、TO-263-7及SOT-227封装的碳化硅MOSFET器件,适用于数据中心UPS、PFC电源,以及新能源汽车、充电桩、太阳能逆变器等。
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综合来看,碳化硅等宽带隙材料拥有全面的优势,包括提高系统效率,降低冷却系统要求,在更高温度下运行,以及更高的功率密度等,能帮助数据中心运营商实现了更高的效率,最大限度地利用地面空间并降低整个设施的运营成本,考虑到数据中心不断增长的规模,减轻能耗已成为整个数据中心产业发展面临的重要课题,而碳化硅无疑将在其中扮演重要的角色。

参考资料:

1、碳化硅器件在UPS中的应用研究

https://mp.weixin.qq.com/s/1yn-3NWlGHPmzasP5-dNIQ

2、“双碳”风口,宽禁带半导体“飞”进数据中心

https://mp.weixin.qq.com/s/HFI7j3HzKGZMWuFBhlS7GA

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作者 liu, siyang