现代AI数据中心因部署大量GPU集群和专用加速器而呈现出高计算密度的特点。这种密度不可避免地导致高热负荷，可能超出传统风冷系统的处理能力。

因此，直接芯片冷却(DTC)和大规模冷冻水系统等液冷技术正变得越来越普遍。这些系统需要大功率电气基础设施，能够高效可靠地管理冷水机组、水泵和压缩机驱动器[1]。

碳化硅(SIC)功率器件的引入显著提升了效率和功率密度。SemiQ近期发布了QSiC Dual3系列1200V功率模块，专门满足这些冷却系统的特定需求，尤其是AI数据中心使用的大容量液冷机组。

液冷系统架构

AI数据中心使用的液冷系统包含多个相互连接的回路。如图1所示，这些回路通常包括设施水系统(FWS)、冷凝水系统(CWS)和工艺冷却系统(TCS)。信息技术设备(图1中的ITE)产生的热量通过冷却液分配单元(CDU)传递给冷水机组，再由冷却塔将热量排出。

图1

冷水机组是该架构的关键组成部分，通常在250千瓦左右的功率水平下运行。它们集成了多个功率变换级，包括有源前端(AFE)整流器和由逆变器驱动的压缩机。冷水机组也是关键设备，因为它们必须连续运行，动态响应热负荷的变化，并提供高能效。

功率变换中的损耗会降低系统整体效率，并可能形成反馈回路——低效的功率解决方案反而需要额外的冷却能力。

Gen3 SiC功率模块的作用

新发布的SemiQ Gen3 QSiC Dual3模块采用1200V SiC mosfet技术，可选配SiC肖特基势垒二极管。这种配置消除了通常与硅二极管相关的反向恢复损耗，并降低了总开关损耗。这些特性使该模块非常适合高频和高效率的功率变换系统。

这些模块采用半桥配置，并提供不同的导通电阻和最大电流值，如图2所示。

图2

SemiQ进行的广泛测试确保了这些器件的可靠性。所有器件都经过晶圆级老化测试的筛选和检验。该工艺保证了高栅极氧化层质量。此外，尽管标称击穿电压为1200V，但功率模块的击穿电压测试超过1350V，为在1200V直流母线系统中运行提供了安全裕量。

SemiQ第三代SiC芯片还具有比前代更低的栅极电压(18V/-4.5V)。据该公司称，其Gen3技术相比前代产品将关断能量损耗(EOFF)降低了高达30%。

高频开关与系统效率

SiC MOSFET能够以比传统硅基IGBT更高的频率进行开关。这一特性使得可以使用更小的无源元件(如电感和电容)，从而减小功率变换器的整体尺寸和重量。

在冷水机组系统中，更高的开关频率非常重要，因为它有助于提高压缩机的性能。电机的转速和扭矩可以得到精细调节，使其运行适应变化的冷却需求。这种情况在AI数据中心很典型，工作负载可能快速变化，导致热量产生波动。

开关损耗的降低也有助于提高系统效率。冷水机组必须不间断运行，因此即使效率提升很小的百分比，随着时间的推移也能产生显著的节能效果。

热管理与机械集成

QSiC Dual3模块设计具有低结壳热阻，有助于热量从半导体结有效传递到散热器。

例如，GCMS1P0B120S4B1(图3)是一款QSiC 1200V SiC半桥功率模块，具有零反向恢复的续流SiC肖特基势垒二极管(SBD)、用于稳定运行的Kelvin参考端，以及典型的结壳热阻：MOSFET为0.058 °C/W，二极管为0.077 °C/W。

这些模块采用隔离基板，可以直接安装到散热器上，无需额外的绝缘层。这简化了机械集成并改善了导热性。在已存在换热器和冷板的液冷环境中，这种设计有助于最大限度地减少系统中的额外热阻。

该模块具有紧凑的占位面积(62 mm × 152 mm)，采用行业标准格式，支持直接集成到现有功率变换器设计中。

可靠性

对于AI数据中心而言，可靠性至关重要，因为服务中断可能带来重大的运营和经济后果。QSiC Dual3模块设计用于在高电压和高温条件下也能稳健运行。在超过1350V击穿电压下进行的广泛测试确保了即使在瞬态条件下，也能在1200V系统中安全运行。

Kelvin源端子的存在有助于通过减少寄生电感的影响来提高栅极驱动的稳定性。其结果是改善了开关特性，并降低了电压过冲和振荡的风险。

此外，使用SiC肖特基二极管消除了反向恢复电流，从而减少了开关器件上的应力，并提高了整体系统可靠性，尤其是在高温下。

图3

应用

SemiQ的Dual 3功率模块可有效地用于有源前端(AFE)变换器以及压缩机和泵驱动器。

AFE变换器用于将冷却系统与电网连接。它们提供功率因数校正(PFC)并实现双向功率流动。这些特性适用于储能系统或再生负载。

SiC模块通过降低导通损耗和开关损耗来提高AFE级的效率。还可以实现更高的开关频率，简化滤波器设计并改善电能质量。在AI数据中心，这些特性可实现更稳定、更高效的电网交互。

在液冷系统中，压缩机消耗大量功率。它们通常由变频逆变器驱动，根据冷却需求控制电机转速。在这些驱动器中使用SiC模块可在宽工作范围内提高效率。较低的导通损耗可减少高负载时的能耗，而快速开关则可提高部分负载时的性能。

同样，用于冷却液循环的泵也可以从SiC功率器件中受益。实际上，更快的开关速度可以实现更精确的控制，有助于在冷却回路中保持稳定的温度。

功率密度

功率密度是AI数据中心环境中的另一个关键因素，因为可用空间有限，且系统必须具有可扩展性。SiC功率模块的高效率和快速开关能力使得变换器设计更加紧凑。

QSiC Dual3模块有助于显著减小无源元件的尺寸并改善热性能，从而实现更高的系统整体功率密度。然后冷却系统可以更紧密地与IT设备(ITE)集成，减少配电损耗并提高效率。

更高的电压运行(1200V)还可以在给定功率等级下降低电流水平，从而减少导通损耗并简化布线和电气母排的设计。