數字化和云服務等高計算領域的爆發式發展，對數據中心的計算、存儲、傳輸等方面有了更高的需求，隨之而來的是數據中心對電力的消耗愈發龐大，如今電力成本已占總運營成本達60%，而根據中國IDC圈數據，2021年全國數據中心的耗電量超2100億Kwh，到2025年我國的數據中心耗電量預計將增長至近4000億Kwh，數據中心耗電量占全國用電量比重預計將從2018年的1.6%增長至2025年的5.8%。
數據中心對于電能的巨大需求，刺激了能夠減少電力損失、提高效率和加強熱控制等的電源解決方案的發展，比如在電力轉換中使用以碳化硅為代表的寬帶隙（WBG）功率器件，通過在電源和冷卻系統中采用碳化硅器件，數據中心可以實現更高的效率并降低總體能源使用量。
數據中心是一個容納聯網的計算機服務器的結構，用于電子處理、存儲和數據分發，由于創建、處理和存儲的數字數據量不斷增加，能源需求也不斷上升。據了解，數據中心的總能耗主要由IT設備、制冷設備、供配電系統和照明設施等設備所產生的能耗組成。
在這些設備中，存在許多電源轉換系統，包括AC/DC、DC/AC和DC/DC電壓轉換器等多種典型結構，整個數據中心的效率完全取決于這些轉換器，而降低在轉換器中的損耗正是節省能源提高效率的關鍵。
數據中心的效率通常用電力使用效率（PUE）來衡量，定義為數據中心總能耗與IT設備能耗之比，其值大于1，越接近1，表明非IT設備耗能越少，即能效水平越好。根據國家可再生能源實驗室的數據，國內數據中心的平均PUE約為1.8，而國外一些注重效率的數據中心經常達到1.2甚至更低的PUE值，現在面對日益增長的算力需求，單機柜的功率密度快速增長，對PUE的要求也越來越嚴苛，國家已經要求新建大型、超大型數據中心的PUE達到1.4以下，這刺激了數據中心對碳化硅器件的需求。? ?
碳化硅能提供高擊穿電壓、高開關頻率，以及降低傳導和開關損耗，從而實現更好的散熱和更小的外形尺寸，這使得電源的轉換效率更高，而效率每提高一個百分點，整個數據中心就能節省千瓦級電力，這樣的效益已經十分可觀，據Wolfspeed介紹，使用了SiC器件的電源具有更好的熱性能，可節省多達40%的冷卻能源成本。
目前隨著處理器和服務器功率的增加，數據中心每個機架的功耗也越來越高，為了滿足新的能效要求，企業數據中心電力部門采用48V架構電源供電，這就需要2-4kW的電源模塊，行業正朝著更高的功率密度不斷發展，在此之中，碳化硅的優越性能將更加顯著。
碳化硅功率器件在數據中心應用最多的是UPS設備。UPS對數據中心來說是必不可少的，為了防止輸電故障或中斷對其運營產生潛在的災難性影響，電源冗余對于確保數據中心的運行連續性和可靠性至關重要，為滿足這一要求，經常采用與電壓和頻率無關的 (VFI) UPS 系統，一個 AC/DC 轉換器（整流器）、一個 DC/AC 轉換器（逆變器）和一個 DC Link 組成了一臺 VFI UPS 設備。
旁通開關主要在維護期間使用，將UPS輸出直接連接到輸入端的交流電源上，在發生停電等故障情況下，則通常由電池組連接到轉換器為電源供電，由于輸入端的交流電壓被轉換為直接電壓，然后再次轉換為精確的正弦輸出電壓，這些設備通常是雙轉換電路，碳化硅器件使得在雙轉換UPS系統中的功率損失大大減少（>70%），這使得整流器可以長時間以超過98%的高效率運行。
使用碳化硅的UPS設備擁有更好的熱損值，能在更高的溫度下運行，因此可以采用更加緊湊和經濟的冷卻設計方案，尺寸減小占地面積也更少，這也增加了特定區域內的可用電力容量，總而言之，基于碳化硅的UPS更輕、更小，也能在不增加占地面積的情況提供更高的功率和效率，而這些正是數據中心服務商所考慮的關鍵因素。
我國數據中心市場在迅速增長，《中國第三方IDC行業財務數據回顧及未來展望》顯示，在市場供給和需求的雙輪驅動下，我國數據中心市場規模不斷增長，2022年我國數據中心市場規模約1900億元，近五年年均復合增長率高達30.0%，2023年市場規模有望達到2470億元，數據中心有望給碳化硅帶來新的市場機遇。
近來國內外廠商也在積極推出適用于數據中心的碳化硅器件，如今年5月，納微半導體宣布推出第五代高速GeneSiC碳化硅功率二極管，這款650伏的混合式PIN-肖特基 (MPS?)二極管采用獨特的PiN-Schottky結構，提供低內置電壓偏置（低門檻電壓）以實現在各種負載條件下的最高效率和卓越的魯棒性，可有效滿足數據中心、工業電機驅動、太陽能和消費電子等要求嚴格的應用需求。
基本半導體也在今年5月推出了第二代碳化硅MOSFET系列新品，其基于6英寸晶圓平臺進行開發，比上一代產品在比導通電阻、開關損耗以及可靠性等方面表現更為出色，并且在原有TO-247-3、TO-247-4封裝的產品基礎上，基本半導體還推出了帶有輔助源極的TO-247-4-PLUS、TO-263-7及SOT-227封裝的碳化硅MOSFET器件，適用于數據中心UPS、PFC電源，以及新能源汽車、充電樁、太陽能逆變器等。
綜合來看，碳化硅等寬帶隙材料擁有全面的優勢，包括提高系統效率，降低冷卻系統要求，在更高溫度下運行，以及更高的功率密度等，能幫助數據中心運營商實現了更高的效率，最大限度地利用地面空間并降低整個設施的運營成本，考慮到數據中心不斷增長的規模，減輕能耗已成為整個數據中心產業發展面臨的重要課題，而碳化硅無疑將在其中扮演重要的角色。
參考資料：
1、碳化硅器件在UPS中的應用研究
https://mp.weixin.qq.com/s/1yn-3NWlGHPmzasP5-dNIQ
2、“雙碳”風口，寬禁帶半導體“飛”進數據中心
https://mp.weixin.qq.com/s/HFI7j3HzKGZMWuFBhlS7GA
原文始發于微信公眾號（艾邦半導體網）：市場2470億元！數據中心成為碳化硅的又一機遇
