设计下一代碳化硅数据中心冷却系统

数据中心是数字世界的支柱,容纳了为互联网、云计算和其他数据驱动服务提供动力的大型服务器。随着对这些服务的需求增加,他们消耗的能源也会增加。

在美国,数据中心在2020年的用电量估计为90太瓦小时,约占美国总用电量的1.8%。用电。预计到2030年,这一数字将增加到140亿吨,增幅为56%。人工智能(AI)应用程序的全球性增加给数据中心的耗电造成了进一步的压力,从而需要更多的服务器,进而需要更多的电源来运行它们。全球数据中心的增长使得系统设计者必须找到新的方法来减少耗电量,同时提高计算能力。

数据中心是一个复杂的系统,有很多方法可以降低整体的耗电量.在各种子系统中,数据中心冷却系统占其总能耗的很大一部分,估计从20%到45%不等。确切的百分比可以根据所使用的冷却系统的类型、位置的气候和正在冷却的信息技术设备而有所不同。碳化硅可大大提高数据中心内冷却系统的效率,使系统损失减少高达50%,达到全球效率标准,并通过降低噪音、加快转速和更精确的控制提高系统性能。

全系统损失减少高达60%

数据中心冷却系统包括一个AC-DC(主动前端)阶段和一个DC-AC逆变阶段。使用六个 1200 V SiC MOSFETs (C3M0075120K)在三相供应的11千瓦冷却系统中,设计者可以实现0.9%的效率提高。当逆变器也升级为1200VC3M0075120KSMOSFET时,还可以实现额外的改进。下面,图1和图2显示了一个典型的1200伏碳离子体MOSFET的导电损耗和开关损耗与一个1200伏IGBT与同一额定电流的比较。在低负载下,碳化物MOSFET传导损失高达IGBT的一半,通过消除开关尾流,开关损失比IGBT少90%。

图1:传导损失,1200伏所需的MOSFET与IGBT

图2:开关损耗,1200伏特/IGBT

由于开关损耗较小,硅氧化物MOSIFT的开关频率比IGBT的要高得多,使系统设计者可以在变速风扇驱动器中使用较小和较轻的变压器。小型变压器意味着减少铜的损失,进一步提高能源效率。此外,较高的开关频率能够更精确地控制风扇的速度,确保在不同负载条件下的最佳冷却性能。随着光负荷传导损失的改善,碳化硅氧化硅材料的MOSIFT能够在所有负载条件下实现更平坦、高效率的曲线,进一步有利于变速应用。

如图3所示,沃尔夫斯速度最新发布的11千瓦高效三相电动机驱动逆变器( CRD-11DA12N-K )的目的是测试沃尔夫斯派特在工业加热和冷却应用中的1200伏四氟乙烯材料。该设计实现了99%的峰值效率和98.6%的完全负载效率;550-850VDC的宽工作电压范围和闭环传感器磁场定向控制。测试结果见图4和图5。

图3:11kw三相电动机驱动逆变器,采用1200VSMOSFET(C3M0075120K)

图4:效率比较@16KZ

图5:效率比较@32KZ

如上所述,通过用碳化硅代替硅,在16KZ运行,电动机的驱动效率可以提高1.2%,减少50%的电力损失。随着IGBT器件在高工作频率下的效率下降,碳化硅器件可以很容易地将工作频率从16千赫提高到32千赫,以帮助缩小无源元件的尺寸,同时保持98%的效率。

使用碳化硅进行小型热吸收,达到更高的效率

在数据中心冷却系统中,硅碳化物在系统层面上具有巨大的价值,它提供了更高的效率和功率密度,提高了热电阻,并使整体规模更小、成本更低的冷却系统成为可能。例如,在一个拥有一个6-开关2级有源前端(AFE)在45千赫兹下开关的25千瓦压缩机中,设计人员可以在前端阶段利用SIC实现1.3%效率的提高,在20千赫兹时,与硅开关相比,当离散IGBT被沃尔夫速度的 C3M0032120K 离散教育和体育部(1200伏/32兆姆)。当沃尔夫速度30A级全桥功率模块时,逆变器的效率可以提高1.1% CCB032M12FM3(沃夫包)是保守的基准,与50A和100A级的Si-IGBT模块,都是在8千赫兹切换。这两种变化在提高效率方面产生了令人印象深刻的2.4%,在整个系统中减少了50%的损失。

碳化硅逆变器最值得注意的改进之一是系统产生的热量显著减少,使设计人员能够使用较小的散热器,并设计用于数据中心冷却系统的整体较小、较轻的压缩机,或者能够使用与以前相同尺寸的压缩机进行更多的冷却。

图6： 25 kW逆变器，Fsw = 8 kHz，较大的Si IGBT散热器： 1.37 L(0.7 C/W)，较小的碳化硅散热器0.8 L(0.99 C/W)

结果与IGBT相比,碳化硅逆变器的热沉小了77%。尽管硅合金模块的温度下降幅度要大得多,但50a IGbt 模块的连接温度仍然明显高于150℃的温度限制,但32个碳化硅模块和100个IGBT模块最终都处于大约129℃的相同连接温度。另外值得注意的是碳化硅逆变器的效率提高了1.1%.此外,上述效率的提高不仅是在峰值负载,而且在局部负载.在某些局部载荷下,效率的提高更大,这是理想的适合数据中心冷却系统的典型负载特征。

总之,在三相供应的情况下,使用减少的和更优化的碳化硅散热器,25千瓦系统可使整体效率提高2.4%,减少损失600W,同时使整体冷却系统更小、更轻。

结论

总之,用碳化硅 1200 V MOSFETS 和 电源模块在11千瓦和25千瓦数据中心冷却系统可以显著提高整体系统效率,使整体系统效率提高了2.4%。在更高的功率水平上提高效率是可能的,在整个负荷配置,导致大规模节能。碳化硅还通过较小的无源元件和散热器提高功率密度,并导致整体系统成本和尺寸优化。此外,高连接温度的可能性和改善的热耗散的碳化硅器件加上较低的损耗,使设计者能够建立更紧凑的系统,使驱动器和电动机易于集成,并引导下一代高效的数据中心冷却系统。