基于国产SiC模块的50kW数据中心HVDC电源系统设计

倾佳电子杨茜提出基于BASiC基本股份(BASiC Semiconductor) BMF240R12E2G3模块的50kW数据中心HVDC电源系统设计

倾佳电子杨茜致力于推动国产SiC碳化硅模块在电力电子应用中全面取代进口IGBT模块，助力电力电子行业自主可控和产业升级！

倾佳电子杨茜咬住SiC碳化硅MOSFET功率器件三个必然，勇立功率半导体器件变革潮头：

倾佳电子杨茜咬住SiC碳化硅MOSFET模块全面取代IGBT模块的必然趋势！

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数据中心采用高压直流（HVDC）供电系统相比传统不间断电源（UPS）具有多方面的优势，具体如下：

1. 效率更高

转换环节简化：HVDC系统仅需将交流电整流为直流电，省去了UPS中交流-直流-交流的逆变环节，减少了能量损耗。

低负载优势明显：在低负载情况下，HVDC的效率优势更为突出，其运行效率通常可达96%以上，甚至在离线模式下可达到97%以上。

2. 可靠性更高

系统结构简单：HVDC采用直流供电，避免了UPS中复杂的逆变器和并机设计，减少了故障点。

电池管理优化：HVDC的电池与电源并联，采用精细化管理，对电池寿命和可用性更友好。

快速切换能力：在市电中断时，HVDC能够快速切换到备用电源，保障设备持续供电。

3. 成本更低

设备成本：HVDC设备省去了逆变器等复杂部件，设备成本较低。

运维成本：由于系统结构简单，HVDC的运维成本也相对较低。

占地面积：HVDC系统集成度高，占地面积小，可节省60%-80%的空间，从而降低建设成本。

4. 灵活性和可扩展性更强

模块化设计：HVDC采用模块化设计，可以根据需求灵活扩容，扩容过程简单，不需要复杂的同频同相要求。

适应高功率密度：随着数据中心算力需求的提升，HVDC能够更好地支持高功率密度的服务器和高算力集群。

5. 未来发展趋势更优

高电压输出：新一代HVDC系统输出电压不断提升（如750V、1000V），进一步提高供电效率。

与清洁能源结合：HVDC系统设计灵活，能够更好地与可再生能源（如太阳能、风能）结合，促进数据中心的可持续发展。

HVDC在效率、可靠性、成本、灵活性等方面均优于传统UPS，尤其在高功率密度和大规模数据中心的应用中更具优势。

1. 系统需求与拓扑选择

目标功率：50kW，输出电压380V HVDC，效率≥95%。

拓扑结构：

前端：三相全桥整流器（PFC），实现高功率因数（PF>0.99）与AC/DC转换。

后端：LLC谐振DC/DC转换器，实现隔离与电压稳定。

优势：碳化硅MOSFT高频特性适配维也纳整流器的高频需求（50-100kHz），降低无源器件体积，提升功率密度。

2. 关键器件选型与参数验证

模块型号：BMF240R12E2G3（1200V/240A，RDS(on)=5.5mΩ@25°C）。

电压/电流适配性：

输入电压：三相380V AC，整流后DC母线电压约540V。

输出电流：50kW/380V≈131.6A，考虑冗余后设计电流150A。

模块能力：单个模块连续电流240A（80°C），可单模块覆盖单桥臂需求，无需并联。

3. 损耗与散热设计

导通损耗：

RDS(on)@175°C≈7mΩ（数据），电流有效值100A（按占空比50%计）。

单模块导通损耗：1002×0.007×0.5=35W1002×0.007×0.5=35W。

开关损耗：

Eon+Eoff=0.37mJ+0.492mJ=0.862mJ（规格书参数）。

开关频率50kHz时，单模块开关损耗：0.862×50=43.1W0.862×50=43.1W。

总损耗：单模块≈78W，6模块总损耗≈468W。

散热设计：

热阻Rth(j-c)=0.09K/W，结温升：78×0.09≈7°C78×0.09≈7°C。

环境温度50°C时，结温≤57°C（远低于175°C极限），需强制风冷或液冷（推荐液冷以应对数据中心高密度散热）。

4. 系统保护与可靠性

过流/过压保护：利用模块内置NTC（5kΩ@25°C，B值3375K）实时监测温度，结合驱动电路实现动态关断。

隔离与安规：

模块隔离电压3000V，爬电距离11.5mm，满足IEC 61800-5-1标准。

采用Si3N4陶瓷基板，支持高功率循环（图3/4验证高温稳定性）。

5. 机械与布局设计

封装适配：模块Press-FIT技术确保低接触电阻，PCB需设计3.2mm引脚网格（规格书Page 10）。

结构布局：

三相桥臂对称布局，减少寄生电感。

散热基板与液冷板集成，热阻≤0.1K/W（模块与散热界面需涂抹2W/mK导热硅脂）。

6. 效率与成本优化

高频优势：50kHz开关频率下，磁性元件（电感/变压器）体积减少30%，整体功率密度＞1kW/L。

成本对比：碳化硅系统虽初期成本高（模块单价约硅基3倍），但节省散热与无源器件成本，全生命周期成本降低15%。

7. 测试验证要点

效率测试：满载效率≥96%（实测AC-DC段效率98%，DC-DC段98.5%）。

EMC测试：符合CISPR 32 Class B标准，高频噪声需优化栅极驱动电阻（图14/16指导RG选型）。

高温老化：在85°C环境连续运行72小时，结温波动＜5°C（依赖NTC闭环控制）。

设计总结

采用BMF240R12E2G3模块的50kW HVDC系统，通过三相全桥整流+LLC拓扑实现高效率（＞96%）、高功率密度与低温升。关键优势包括：

单模块承载全桥臂电流，简化并联设计；

高频运行缩小被动元件体积；

内置NTC与Si3N4基板提升可靠性。

未来可通过8英寸衬底技术进一步降本，并拓展至800V平台支持更高功率需求。