【導讀】數字加密貨幣通過特定的計算過程生成，俗稱“挖礦”。“挖礦”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，但由于挖礦規模不斷擴大，其消耗的總電量相當驚人且在持續增長。
據CryptoMonday估算，單筆比特幣交易，大約消耗2,165度電，而據劍橋大學2021年初估算，整個加密貨幣運行的年耗電量已經超過阿根廷、荷蘭和阿聯酋等國家，并且已經逼近挪威。
圖1：加密貨幣耗電量
（圖源：劍橋大學）
所以，無論是對比特幣玩家，還是對整個加密貨幣產業而言，耗電始終是人們最關心的指標之一。在提升礦機電源系統效率的過程中，SiC（碳化硅）是一項具有代表性的技術，讓礦機持續向著更高功率密度進發。在此，我們將為大家解讀SiC技術在礦機電源系統中的重要作用，以及貿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
如上面數據所示，礦機的耗能是非常巨大的，這也引起了業界的重視，開始著力提升礦機電源效率和穩定性，隨之誕生了許多新的技術、產品和拓撲結構等。
擁有一款好的電源對礦機本身的穩定運行來說至關重要，無論是基于顯卡、FPGA，還是基于ASIC實現的礦機，都采用極度壓榨性能的方式運轉，并且是長期運轉。因此，“挖礦”會消耗大量的電能，對礦機穩定性也要求極高。一款好的礦機電源不僅能夠提供礦機運轉所需要的功率，并且由于轉換效率更高，還能讓“挖礦”相對省電，而良好的電源品質則是礦機持續穩定輸出的前提。
對于礦機的使用者而言，雖然他們可能并不關注相關技術的創新，但這些卻和他們關心的成本和收益直接掛鉤。礦機電源的穩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千臺，多則數十萬臺。因此，如果能夠提升礦機電源效率，能夠給“挖礦”人員節省很大一筆費用。
為了追求“挖礦”收益的最大化，產業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生算力，進而在單位時間內挖出更多的比特幣。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，總成本和投入產出比方面會存在巨大的挑戰。
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，因而可以借助技術創新、拓撲創新和產品創新等多方面進行調優。礦機電源優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，以及提升電源轉化效率，在保證高算力輸出的同時還能夠相對省電。當然，為了減少系統維護的頻率和成本，也會在欠壓、短路、過載、過溫保護等方面持續改進，增強系統的穩定性。
我們會發現，主流的礦卡公司在發布新品的時候，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論的主角——SiC器件的強項。
SiC可提升礦機電源效率與可靠性
作為半導體材料，SiC具有擊穿電場高、熱導率高、電子飽和速率高、抗輻射能力強等優勢，這便給SiC器件帶來了諸多特征參數方面的提升，比如更低的開關損耗和導通損耗，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化效率的好辦法。
在提升電源功率方面，我們已經講過，SiC是能夠承受高電壓和大電流的新型半導體，因此對于功率提升是其天然的優勢，能給礦機電源帶來積極的變化。同時，由于SiC器件相較于傳統的Si器件擁有更低的開關損耗和導通損耗，因此能夠顯著減少系統中的散熱器件，并借助創新拓撲減小電容等無源器件的尺寸，實現更高的功率密度。
在提升電能轉化效率方面，SiC器件具有非常低的導通電阻，那么開發人員就能夠借此實現更高的開關頻率，實現更高的效率水平。對于傳統的Si器件而言，想要實現更高的效率水平，系統設計的難度會成倍增加，并且往往最終量產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，因此產品吸引力會大大下降。
除了我們最為關注的功率和效率，實際上在具體電路中，SiC器件相較傳統Si器件在熱擊穿、電壓/電力浪涌保護等方面都表現的更出色，這也就意味著SiC器件能夠給電源系統帶來更高的穩定性。無疑，這些都是礦機電源迫切需要的。從礦機電源的歷史發展軌跡來看，目前已經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，我們推薦幾款貿澤電子在售的SiC器件，這些器件將對上述提到的優勢進行近乎完美的詮釋，幫助礦機電源應對越來越高的用電要求，讓“挖礦”更加高效節能。
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方案，通過采用共源共柵結構，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，我們將為大家帶來兩款SiC FET產品的相關信息，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產品，基于獨特的共源共柵電路配置打造，擁有諸多優秀的性能。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，在硬開關應用中，UnitedSiC第4代FET表現出超低的RDS(on)x EOSS，從而降低了導通和關斷損耗。
圖4：UJ4C075060K3S典型靜態性能
（圖源：UnitedSiC）
在產品使用方面，UJ4C075060K3S可用標準0V至12V或15V柵極驅動電壓安全驅動，與所有Si IGBT、Si FET和SiC FET驅動電壓一樣，因此能夠持“直接替代”現有的Si IGBT、Si FET、SiC FET或Si超級結器件，從而顯著提高系統性能，而無需改變柵極驅動電壓。此外，UJ4C075060K3S的優秀性能還包括出色的反向恢復、優秀的體二極管性能、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產品系列，和UJ4C075060K3S的區別在于封裝。UnitedSiC UJ4C系列第四代750V SiC FET采用三引線TO-247-3L封裝的產品便是UJ4C075060K3S，此外還有四引線TO-247-4封裝，也就是UJ4C075060K4S（該產品在貿澤電子平臺的物料號）。
圖5：UJ4C075060K4S
（圖源：UnitedSiC）
上述性能優勢，UJ4C075060K4S全部都具備。當然，由于采用四引線TO-247-4封裝，UJ4C075060K4S也有與UJ4C075060K3S不同的地方。通過開爾文源極設計，UJ4C075060K4S顯著降低了開關損耗和柵極振鈴。同時，TO-247-4封裝相較于TO-247-3L封裝，不僅可以簡化驅動設計，而且還消除了柵極驅動回路中源極的封裝電感部分，縮短驅動路徑，減小雜散參數，加強驅動設計的可靠性。
下面我們看一下UnitedSiC UJ4C系列第四代750V SiC FET面向的應用領域。除了可用于礦機電源系統，第四代750V SiC FET在工業充電、電信整流器、數據中心PFC直流轉換、可再生能源和儲能應用中具有廣泛的應用前景。需要特別指出的是，第四代750V SiC FET符合AEC-Q101標準，也能夠加速寬帶隙器件在汽車充電領域的快速發展。
對軟開關設計進行優化的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勢，尤其是性能表征方面，此章節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構，與包括SiC MOSFET、Si MOSFET和GaN HEMT在內的其他可用功率晶體管相比，SiC FET在導通狀態和熱特性、開關特性、雪崩和短路特性、并聯工作特性等方面均具有明顯的優勢。上面我們已經提到了開關、導通、短路相關方面的一些表現，接下來我們展開解讀一下雪崩和并聯工作特性。
在雪崩特性方面，UnitedSiC推送的技術內容中，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，加之開關特性實際上是由SiC JFET而不是低電壓MOSFET控制，因此導通狀態電流能夠達到平衡。如下圖7所示，在開關打開和關閉期間，兩個UF3SC120009K4S器件在VGS = +15/-5V時以60A（總共120A）的電流并聯開關，每個柵極使用15Ω RG，在柵極返回路徑為1Ω。在高速開關條件實現了出色的共享。
圖7：UF3SC120009K4S并聯工作特性
（圖源：UnitedSiC）
在較為全面為大家解讀SiC FET器件的性能優勢之后，我們為大家推薦UnitedSiC另一個SiC FET器件系列——UJ3C SiC FET。系列中的一款產品在貿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構帶來的性能優勢，UJ3C065080K3S還針對軟開關設計進行了優化，以實現MOSFET正常關閉操作、高性能體二極管、便捷門驅動與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，獲得更好的系統收益。
除了采用TO-247-3L封裝形式的UJ3C065080K3S，UnitedSiC UJ3C SiC FET還提供工業標準D2PAK-3L、TO-220-3L封裝，為光伏逆變器、開關電源、功率因數校正模塊、馬達驅動器、感應加熱等應用賦能。此外，各類型封裝UnitedSiC UJ3C SiC FET產品中的絕大多數都滿足AEC-Q101標準，適合于汽車相關應用。如果大家對UJ3C SiC FET系列中的其他產品感興趣，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、高可靠計算設備，以及很多網絡交換設備而言，它們一般都需要穩定的單向直流電源為其供電，不過電網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，我們為大家推薦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、功率因數校正（PFC）電源，可將標準交流電源轉換成12VDC主輸出。在產品設計上，PET2000-NAS446采用全數字控制架構，以提高效率、控制和功能，并擁有出色的性能，包括優異的80 PLUS白金級效率、2,000W連續輸出功率能力、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，其中四個連接器設計用于直接連接到各個采礦負載板。
圖10：PET2000-NAS446系統框圖
（圖源：Bel Power Solutions）
圖11：PET2000-NAS446高效率表現
（圖源：Bel Power Solutions）
PET2000-NAS446電源符合國際安全標準，帶有歐洲低電壓指令（LVD）的CE標記。除了可以用于加密貨幣挖礦，也能夠為區塊鏈應用、網絡交換機、服務器和路由器等應用帶來高效穩定能量供應。
效率與可靠性是電源產品的永久追求
考慮到可持續發展，目前全球主要國家和地區對電源品質要求越來越嚴格，高能耗、低品質的電源產品將逐步被淘汰。在此過程中，數字加密貨幣產業需要抑制功耗隨著市場規模擴大的趨勢，這離不開電源技術優化。貿澤電子為工程師提供了開發礦機電源所需的充足元器件與技術資料和教程，在貿澤電子官網可一站式實現高效率礦機電源開發。
來源：Mouser
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