為什么礦機(jī)電源對(duì)效率和可靠性要求越來越高

數(shù)字加密貨幣通過特定的計(jì)算過程生成，俗稱“挖礦”?！巴诘V”特別考驗(yàn)算力與功耗，單位功耗下算力越高，則代表“挖礦”能力越強(qiáng)，雖然礦機(jī)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(kuò)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(gè)加密貨幣運(yùn)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(duì)比特幣玩家，還是對(duì)整個(gè)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(jī)電源系統(tǒng)效率的過程中，SiC（碳化硅）是一項(xiàng)具有代表性的技術(shù)，讓礦機(jī)持續(xù)向著更高功率密度進(jìn)發(fā)。在此，我們將為大家解讀SiC技術(shù)在礦機(jī)電源系統(tǒng)中的重要作用，以及貿(mào)澤電子平臺(tái)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(jī)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(jī)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)等。

擁有一款好的電源對(duì)礦機(jī)本身的穩(wěn)定運(yùn)行來說至關(guān)重要，無論是基于顯卡、FPGA，還是基于ASIC實(shí)現(xiàn)的礦機(jī)，都采用極度壓榨性能的方式運(yùn)轉(zhuǎn)，并且是長期運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，“挖礦”會(huì)消耗大量的電能，對(duì)礦機(jī)穩(wěn)定性也要求極高。一款好的礦機(jī)電源不僅能夠提供礦機(jī)運(yùn)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(duì)省電，而良好的電源品質(zhì)則是礦機(jī)持續(xù)穩(wěn)定輸出的前提。

對(duì)于礦機(jī)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(jī)電源的穩(wěn)定性一方面和礦機(jī)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(jī)使用者最大的成本并不是采購礦機(jī)而是電費(fèi)，以某品牌礦機(jī)為例，其算力為13.5T，功耗是1.4kW，礦機(jī)在二十四小時(shí)運(yùn)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(gè)礦場(chǎng)少則擁有礦機(jī)數(shù)千臺(tái)，多則數(shù)十萬臺(tái)。因此，如果能夠提升礦機(jī)電源效率，能夠給“挖礦”人員節(jié)省很大一筆費(fèi)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(jī)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(jī)消耗的電能盡可能多地產(chǎn)生算力，進(jìn)而在單位時(shí)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(jì)算芯片頻率、帶寬、顯存等多個(gè)方面，往往需要借助比較先進(jìn)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(huì)存在巨大的挑戰(zhàn)。

二、提升礦機(jī)主板電源效率

礦機(jī)電源并不是某一顆芯片，而是一個(gè)系統(tǒng)，因而可以借助技術(shù)創(chuàng)新、拓?fù)鋭?chuàng)新和產(chǎn)品創(chuàng)新等多方面進(jìn)行調(diào)優(yōu)。礦機(jī)電源優(yōu)化的方向主要有兩點(diǎn)，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(shí)還能夠相對(duì)省電。當(dāng)然，為了減少系統(tǒng)維護(hù)的頻率和成本，也會(huì)在欠壓、短路、過載、過溫保護(hù)等方面持續(xù)改進(jìn)，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，主流的礦卡公司在發(fā)布新品的時(shí)候，大都會(huì)更新自己的電源主板或者電源模塊。對(duì)于后者而言，采用高性能功率器件是改善礦機(jī)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(qiáng)項(xiàng)。

SiC可提升礦機(jī)電源效率與可靠性

作為半導(dǎo)體材料，SiC具有擊穿電場(chǎng)高、熱導(dǎo)率高、電子飽和速率高、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，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(jī)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(duì)于功率提升是其天然的優(yōu)勢(shì)，能給礦機(jī)電源帶來積極的變化。同時(shí)，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?fù)錅p小電容等無源器件的尺寸，實(shí)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(shí)現(xiàn)更高的開關(guān)頻率，實(shí)現(xiàn)更高的效率水平。對(duì)于傳統(tǒng)的Si器件而言，想要實(shí)現(xiàn)更高的效率水平，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度會(huì)成倍增加，并且往往最終量產(chǎn)的功率芯片面積會(huì)較大。而我們都知道，功率芯片的價(jià)格通常與總芯片面積成正比，因此產(chǎn)品吸引力會(huì)大大下降。

除了我們最為關(guān)注的功率和效率，實(shí)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(hù)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(jī)電源迫切需要的。從礦機(jī)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(shí)代，全面進(jìn)入高度定制的精細(xì)化大功率時(shí)代。在此過程中，SiC器件能夠幫助礦機(jī)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(duì)上述提到的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行近乎完美的詮釋，幫助礦機(jī)電源應(yīng)對(duì)越來越高的用電要求，讓“挖礦”更加高效節(jié)能。

基于獨(dú)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(huì)被認(rèn)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(hào)為UJ4C075060K3S，大家可以搜索此編號(hào)在貿(mào)澤電子平臺(tái)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(dú)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?cè)诖诉M(jìn)行一下更詳細(xì)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(zhǔn)0V至12V或15V柵極驅(qū)動(dòng)電壓安全驅(qū)動(dòng)，與所有Si IGBT、Si FET和SiC FET驅(qū)動(dòng)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(jí)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(dòng)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(hù)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(tái)的物料號(hào)）。

圖5：UJ4C075060K4S

（圖源：UnitedSiC）

上述性能優(yōu)勢(shì)，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(jì)，UJ4C075060K4S顯著降低了開關(guān)損耗和柵極振鈴。同時(shí)，TO-247-4封裝相較于TO-247-3L封裝，不僅可以簡化驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，而且還消除了柵極驅(qū)動(dòng)回路中源極的封裝電感部分，縮短驅(qū)動(dòng)路徑，減小雜散參數(shù)，加強(qiáng)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)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(jī)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(chǔ)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(zhǔn)，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(duì)軟開關(guān)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化的UJ3C SiC FET

在介紹UnitedSiC UJ4C系列第四代750V SiC FET時(shí)，我們談到了SiC FET器件在性能方面的一些優(yōu)勢(shì)，尤其是性能表征方面，此章節(jié)我們將對(duì)此進(jìn)行更進(jìn)一步的匯總。得益于獨(dú)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(shì)。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(cè)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(duì)雪崩電流具有極強(qiáng)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(jìn)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(shí)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(dá)到平衡。如下圖7所示，在開關(guān)打開和關(guān)閉期間，兩個(gè)UF3SC120009K4S器件在VGS = +15/-5V時(shí)以60A（總共120A）的電流并聯(lián)開關(guān)，每個(gè)柵極使用15Ω RG，在柵極返回路徑為1Ω。在高速開關(guān)條件實(shí)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(shì)之后，我們?yōu)榇蠹彝扑]UnitedSiC另一個(gè)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(tái)的物料號(hào)為UJ3C065080K3S。

圖8：UJ3C065080K3S

（圖源：UnitedSiC）

除了獨(dú)特的共源共柵結(jié)構(gòu)帶來的性能優(yōu)勢(shì)，UJ3C065080K3S還針對(duì)軟開關(guān)設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)MOSFET正常關(guān)閉操作、高性能體二極管、便捷門驅(qū)動(dòng)與SiC JFET的效率、速度和高額定溫度值的理想組合，進(jìn)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(zhǔn)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(dá)驅(qū)動(dòng)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(zhǔn)，適合于汽車相關(guān)應(yīng)用。如果大家對(duì)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(jī)負(fù)載板的交流-直流前端電源

對(duì)于高性能、高可靠計(jì)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(jī)負(fù)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(tái)上，該器件的物料號(hào)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(zhǔn)交流電源轉(zhuǎn)換成12VDC主輸出。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(jí)效率、2,000W連續(xù)輸出功率能力、不間斷12V待機(jī)輸出、帶PFC功能的交流輸入以及高密度設(shè)計(jì)等。PET2000-NAS446包含四根450mm長的電纜以及20引腳連接器，其中四個(gè)連接器設(shè)計(jì)用于直接連接到各個(gè)采礦負(fù)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(zhǔn)，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?yàn)閰^(qū)塊鏈應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、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(duì)電源品質(zhì)要求越來越嚴(yán)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(chǎng)規(guī)模擴(kuò)大的趨勢(shì)，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(jī)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(shí)現(xiàn)高效率礦機(jī)電源開發(fā)。