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。
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。
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。
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。
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。
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
原文始发于微信公众号（艾邦半导体网）：市场2470亿元！数据中心成为碳化硅的又一机遇
