【導(dǎo)讀】數(shù)字加密貨幣通過特定的計算過程生成,俗稱“挖礦”?!巴诘V”特別考驗算力與功耗,單位功耗下算力越高,則代表“挖礦”能力越強,雖然礦機芯片廠商在不遺余力地提升算力,但由于挖礦規(guī)模不斷擴大,其消耗的總電量相當(dāng)驚人且在持續(xù)增長。
據(jù)CryptoMonday估算,單筆比特幣交易,大約消耗2,165度電,而據(jù)劍橋大學(xué)2021年初估算,整個加密貨幣運行的年耗電量已經(jīng)超過阿根廷、荷蘭和阿聯(lián)酋等國家,并且已經(jīng)逼近挪威。
圖1:加密貨幣耗電量
(圖源:劍橋大學(xué))
所以,無論是對比特幣玩家,還是對整個加密貨幣產(chǎn)業(yè)而言,耗電始終是人們最關(guān)心的指標(biāo)之一。在提升礦機電源系統(tǒng)效率的過程中,SiC(碳化硅)是一項具有代表性的技術(shù),讓礦機持續(xù)向著更高功率密度進發(fā)。在此,我們將為大家解讀SiC技術(shù)在礦機電源系統(tǒng)中的重要作用,以及貿(mào)澤電子平臺在售的具有出色性能的SiC元器件。
用電效率決定“挖礦”收益
如上面數(shù)據(jù)所示,礦機的耗能是非常巨大的,這也引起了業(yè)界的重視,開始著力提升礦機電源效率和穩(wěn)定性,隨之誕生了許多新的技術(shù)、產(chǎn)品和拓撲結(jié)構(gòu)等。
擁有一款好的電源對礦機本身的穩(wěn)定運行來說至關(guān)重要,無論是基于顯卡、FPGA,還是基于ASIC實現(xiàn)的礦機,都采用極度壓榨性能的方式運轉(zhuǎn),并且是長期運轉(zhuǎn)。因此,“挖礦”會消耗大量的電能,對礦機穩(wěn)定性也要求極高。一款好的礦機電源不僅能夠提供礦機運轉(zhuǎn)所需要的功率,并且由于轉(zhuǎn)換效率更高,還能讓“挖礦”相對省電,而良好的電源品質(zhì)則是礦機持續(xù)穩(wěn)定輸出的前提。
對于礦機的使用者而言,雖然他們可能并不關(guān)注相關(guān)技術(shù)的創(chuàng)新,但這些卻和他們關(guān)心的成本和收益直接掛鉤。礦機電源的穩(wěn)定性一方面和礦機壽命直接掛鉤,另一方面和使用者的收益穩(wěn)定性緊密相連,重要性也就不必多說。而眾所周知,在“挖礦”成本方面,礦機使用者最大的成本并不是采購礦機而是電費,以某品牌礦機為例,其算力為13.5T,功耗是1.4kW,礦機在二十四小時運行的情況下耗能是1.4kW*24=33.6度,單看并不驚人,但是要知道一個礦場少則擁有礦機數(shù)千臺,多則數(shù)十萬臺。因此,如果能夠提升礦機電源效率,能夠給“挖礦”人員節(jié)省很大一筆費用。
為了追求“挖礦”收益的最大化,產(chǎn)業(yè)界從兩方面著手提升礦機的用電效率。
一、提高挖礦芯片的算力/功率比
也就是說,讓礦機消耗的電能盡可能多地產(chǎn)生算力,進而在單位時間內(nèi)挖出更多的比特幣。不過,算力提升并不是一件簡單的事情,涉及到計算芯片頻率、帶寬、顯存等多個方面,往往需要借助比較先進的代工工藝,因此芯片成本不菲,總成本和投入產(chǎn)出比方面會存在巨大的挑戰(zhàn)。
二、提升礦機主板電源效率
礦機電源并不是某一顆芯片,而是一個系統(tǒng),因而可以借助技術(shù)創(chuàng)新、拓撲創(chuàng)新和產(chǎn)品創(chuàng)新等多方面進行調(diào)優(yōu)。礦機電源優(yōu)化的方向主要有兩點,提升功率以適配更高性能的算力系統(tǒng),以及提升電源轉(zhuǎn)化效率,在保證高算力輸出的同時還能夠相對省電。當(dāng)然,為了減少系統(tǒng)維護的頻率和成本,也會在欠壓、短路、過載、過溫保護等方面持續(xù)改進,增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
我們會發(fā)現(xiàn),主流的礦卡公司在發(fā)布新品的時候,大都會更新自己的電源主板或者電源模塊。對于后者而言,采用高性能功率器件是改善礦機主板電源效率的主要方法,而這恰恰是我們今天談?wù)摰闹鹘恰猄iC器件的強項。
SiC可提升礦機電源效率與可靠性
作為半導(dǎo)體材料,SiC具有擊穿電場高、熱導(dǎo)率高、電子飽和速率高、抗輻射能力強等優(yōu)勢,這便給SiC器件帶來了諸多特征參數(shù)方面的提升,比如更低的開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗,更高的耐壓容量,更高的工作頻率,更高的工作溫度,更高的功率密度等等,而這些都是提升礦機電源功率以及電能轉(zhuǎn)化效率的好辦法。
在提升電源功率方面,我們已經(jīng)講過,SiC是能夠承受高電壓和大電流的新型半導(dǎo)體,因此對于功率提升是其天然的優(yōu)勢,能給礦機電源帶來積極的變化。同時,由于SiC器件相較于傳統(tǒng)的Si器件擁有更低的開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗,因此能夠顯著減少系統(tǒng)中的散熱器件,并借助創(chuàng)新拓撲減小電容等無源器件的尺寸,實現(xiàn)更高的功率密度。
在提升電能轉(zhuǎn)化效率方面,SiC器件具有非常低的導(dǎo)通電阻,那么開發(fā)人員就能夠借此實現(xiàn)更高的開關(guān)頻率,實現(xiàn)更高的效率水平。對于傳統(tǒng)的Si器件而言,想要實現(xiàn)更高的效率水平,系統(tǒng)設(shè)計的難度會成倍增加,并且往往最終量產(chǎn)的功率芯片面積會較大。而我們都知道,功率芯片的價格通常與總芯片面積成正比,因此產(chǎn)品吸引力會大大下降。
除了我們最為關(guān)注的功率和效率,實際上在具體電路中,SiC器件相較傳統(tǒng)Si器件在熱擊穿、電壓/電力浪涌保護等方面都表現(xiàn)的更出色,這也就意味著SiC器件能夠給電源系統(tǒng)帶來更高的穩(wěn)定性。無疑,這些都是礦機電源迫切需要的。從礦機電源的歷史發(fā)展軌跡來看,目前已經(jīng)走過了小功率和粗獷大功率時代,全面進入高度定制的精細化大功率時代。在此過程中,SiC器件能夠幫助礦機在效率、可靠性和熱管理等方面帶來巨大的提升。
接下來,我們推薦幾款貿(mào)澤電子在售的SiC器件,這些器件將對上述提到的優(yōu)勢進行近乎完美的詮釋,幫助礦機電源應(yīng)對越來越高的用電要求,讓“挖礦”更加高效節(jié)能。
基于獨特共源共柵電路配置的SiC FET
在眾多的SiC器件中,SiC FET通常會被認為是一種接近理想的開關(guān)方案,通過采用共源共柵結(jié)構(gòu),在性能表征(FoM)方面取得了好的效果,甚至是超越了同陣營的SiC MOSFET,如下圖2所示。
圖2:SiC FET和SiC MOSFET的性能表征比較
(圖源:UnitedSiC)
接下來,我們將為大家?guī)韮煽頢iC FET產(chǎn)品的相關(guān)信息,它們均來自制造商UnitedSiC(已被Qorvo收購),首先第一款器件的物料號為UJ4C075060K3S,大家可以搜索此編號在貿(mào)澤電子平臺上快速找到這款器件。
圖3:UJ4C075060K3S
(圖源:UnitedSiC)
UJ4C075060K3S是UnitedSiC系列第四代750V SiC FET產(chǎn)品,基于獨特的共源共柵電路配置打造,擁有諸多優(yōu)秀的性能。如上圖所示,這些性能表征的改善即便是與同為SiC器件的SiC MOSFET相比都是顯而易見的,我們在此進行一下更詳細的解讀。
在RDS(on)方面,UJ4C075060K3S提供60mΩ超低RDS(on),并且單位面積通態(tài)電阻更低,本征電容也很低;降低了Coss(er)/Eoss和Coss(tr);改善Qrr和Eon/Eoff在指定RDS(on)下的損耗。因而,在硬開關(guān)應(yīng)用中,UnitedSiC第4代FET表現(xiàn)出超低的RDS(on)x EOSS,從而降低了導(dǎo)通和關(guān)斷損耗。
圖4:UJ4C075060K3S典型靜態(tài)性能
(圖源:UnitedSiC)
在產(chǎn)品使用方面,UJ4C075060K3S可用標(biāo)準0V至12V或15V柵極驅(qū)動電壓安全驅(qū)動,與所有Si IGBT、Si FET和SiC FET驅(qū)動電壓一樣,因此能夠持“直接替代”現(xiàn)有的Si IGBT、Si FET、SiC FET或Si超級結(jié)器件,從而顯著提高系統(tǒng)性能,而無需改變柵極驅(qū)動電壓。此外,UJ4C075060K3S的優(yōu)秀性能還包括出色的反向恢復(fù)、優(yōu)秀的體二極管性能、低柵極電荷以及ESD保護等。
我們要為大家推薦的第二款器件同樣屬于UnitedSiC第四代750V SiC FET產(chǎn)品系列,和UJ4C075060K3S的區(qū)別在于封裝。UnitedSiC UJ4C系列第四代750V SiC FET采用三引線TO-247-3L封裝的產(chǎn)品便是UJ4C075060K3S,此外還有四引線TO-247-4封裝,也就是UJ4C075060K4S(該產(chǎn)品在貿(mào)澤電子平臺的物料號)。
圖5:UJ4C075060K4S
(圖源:UnitedSiC)
上述性能優(yōu)勢,UJ4C075060K4S全部都具備。當(dāng)然,由于采用四引線TO-247-4封裝,UJ4C075060K4S也有與UJ4C075060K3S不同的地方。通過開爾文源極設(shè)計,UJ4C075060K4S顯著降低了開關(guān)損耗和柵極振鈴。同時,TO-247-4封裝相較于TO-247-3L封裝,不僅可以簡化驅(qū)動設(shè)計,而且還消除了柵極驅(qū)動回路中源極的封裝電感部分,縮短驅(qū)動路徑,減小雜散參數(shù),加強驅(qū)動設(shè)計的可靠性。
下面我們看一下UnitedSiC UJ4C系列第四代750V SiC FET面向的應(yīng)用領(lǐng)域。除了可用于礦機電源系統(tǒng),第四代750V SiC FET在工業(yè)充電、電信整流器、數(shù)據(jù)中心PFC直流轉(zhuǎn)換、可再生能源和儲能應(yīng)用中具有廣泛的應(yīng)用前景。需要特別指出的是,第四代750V SiC FET符合AEC-Q101標(biāo)準,也能夠加速寬帶隙器件在汽車充電領(lǐng)域的快速發(fā)展。
對軟開關(guān)設(shè)計進行優(yōu)化的UJ3C SiC FET
在介紹UnitedSiC UJ4C系列第四代750V SiC FET時,我們談到了SiC FET器件在性能方面的一些優(yōu)勢,尤其是性能表征方面,此章節(jié)我們將對此進行更進一步的匯總。得益于獨特的共源共柵結(jié)構(gòu),與包括SiC MOSFET、Si MOSFET和GaN HEMT在內(nèi)的其他可用功率晶體管相比,SiC FET在導(dǎo)通狀態(tài)和熱特性、開關(guān)特性、雪崩和短路特性、并聯(lián)工作特性等方面均具有明顯的優(yōu)勢。上面我們已經(jīng)提到了開關(guān)、導(dǎo)通、短路相關(guān)方面的一些表現(xiàn),接下來我們展開解讀一下雪崩和并聯(lián)工作特性。
在雪崩特性方面,UnitedSiC推送的技術(shù)內(nèi)容中,有過專門的性能測試。如下圖6所示,這是UnitedSiC的UF3SC120009K4S在兩種情況下的典型雪崩特性,我們能夠看到,右側(cè)圖片上,在較短的電感尖峰下,UF3SC120009K4S的峰值雪崩電流處理能力超過200A,展現(xiàn)出SiC FET對雪崩電流具有極強的吸收能力。
圖6:UF3SC120009K4S典型的雪崩特性
(圖源:UnitedSiC)
在并聯(lián)工作特性方面,UnitedSiC同樣是基于UF3SC120009K4S進行了性能展示,在此該公司特別指出,SiC FET由于RDS(ON)的正溫度系數(shù),加之開關(guān)特性實際上是由SiC JFET而不是低電壓MOSFET控制,因此導(dǎo)通狀態(tài)電流能夠達到平衡。如下圖7所示,在開關(guān)打開和關(guān)閉期間,兩個UF3SC120009K4S器件在VGS = +15/-5V時以60A(總共120A)的電流并聯(lián)開關(guān),每個柵極使用15Ω RG,在柵極返回路徑為1Ω。在高速開關(guān)條件實現(xiàn)了出色的共享。
圖7:UF3SC120009K4S并聯(lián)工作特性
(圖源:UnitedSiC)
在較為全面為大家解讀SiC FET器件的性能優(yōu)勢之后,我們?yōu)榇蠹彝扑]UnitedSiC另一個SiC FET器件系列——UJ3C SiC FET。系列中的一款產(chǎn)品在貿(mào)澤電子平臺的物料號為UJ3C065080K3S。
圖8:UJ3C065080K3S
(圖源:UnitedSiC)
除了獨特的共源共柵結(jié)構(gòu)帶來的性能優(yōu)勢,UJ3C065080K3S還針對軟開關(guān)設(shè)計進行了優(yōu)化,以實現(xiàn)MOSFET正常關(guān)閉操作、高性能體二極管、便捷門驅(qū)動與SiC JFET的效率、速度和高額定溫度值的理想組合,進而提供了更高的開關(guān)頻率,在保證效率、減少無源組件尺寸和成本的情況下,獲得更好的系統(tǒng)收益。
除了采用TO-247-3L封裝形式的UJ3C065080K3S,UnitedSiC UJ3C SiC FET還提供工業(yè)標(biāo)準D2PAK-3L、TO-220-3L封裝,為光伏逆變器、開關(guān)電源、功率因數(shù)校正模塊、馬達驅(qū)動器、感應(yīng)加熱等應(yīng)用賦能。此外,各類型封裝UnitedSiC UJ3C SiC FET產(chǎn)品中的絕大多數(shù)都滿足AEC-Q101標(biāo)準,適合于汽車相關(guān)應(yīng)用。如果大家對UJ3C SiC FET系列中的其他產(chǎn)品感興趣,可以通過UJ3C065080K3S的器件詳情頁快速找到它們。
可直連礦機負載板的交流-直流前端電源
對于高性能、高可靠計算設(shè)備,以及很多網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備而言,它們一般都需要穩(wěn)定的單向直流電源為其供電,不過電網(wǎng)傳輸過來的電能很多都屬于交流電,因此交流-直流前端電源便成為一種必需品。接下來,我們?yōu)榇蠹彝扑]的便是一款可直連礦機負載板的交流-直流前端電源,來自制造商Bel Power Solutions,貿(mào)澤電子平臺上,該器件的物料號為PET2000-NAS446。
圖9:PET2000-NAS446
(圖源:Bel Power Solutions)
PET2000-NAS446是2,000W交流-直流、功率因數(shù)校正(PFC)電源,可將標(biāo)準交流電源轉(zhuǎn)換成12VDC主輸出。在產(chǎn)品設(shè)計上,PET2000-NAS446采用全數(shù)字控制架構(gòu),以提高效率、控制和功能,并擁有出色的性能,包括優(yōu)異的80 PLUS白金級效率、2,000W連續(xù)輸出功率能力、不間斷12V待機輸出、帶PFC功能的交流輸入以及高密度設(shè)計等。PET2000-NAS446包含四根450mm長的電纜以及20引腳連接器,其中四個連接器設(shè)計用于直接連接到各個采礦負載板。
圖10:PET2000-NAS446系統(tǒng)框圖
(圖源:Bel Power Solutions)
圖11:PET2000-NAS446高效率表現(xiàn)
(圖源:Bel Power Solutions)
PET2000-NAS446電源符合國際安全標(biāo)準,帶有歐洲低電壓指令(LVD)的CE標(biāo)記。除了可以用于加密貨幣挖礦,也能夠為區(qū)塊鏈應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)交換機、服務(wù)器和路由器等應(yīng)用帶來高效穩(wěn)定能量供應(yīng)。
效率與可靠性是電源產(chǎn)品的永久追求
考慮到可持續(xù)發(fā)展,目前全球主要國家和地區(qū)對電源品質(zhì)要求越來越嚴格,高能耗、低品質(zhì)的電源產(chǎn)品將逐步被淘汰。在此過程中,數(shù)字加密貨幣產(chǎn)業(yè)需要抑制功耗隨著市場規(guī)模擴大的趨勢,這離不開電源技術(shù)優(yōu)化。貿(mào)澤電子為工程師提供了開發(fā)礦機電源所需的充足元器件與技術(shù)資料和教程,在貿(mào)澤電子官網(wǎng)可一站式實現(xiàn)高效率礦機電源開發(fā)。
來源:Mouser
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