为什么矿机电源对效率和可靠性要求越来越高
数字加密货币通过特定的计算过程生成，俗称“挖矿”。“挖矿”特别考验算力与功耗，单位功耗下算力越高，则代表“挖矿”能力越强，虽然矿机芯片厂商在不遗余力地提升算力，但由于挖矿规模不断扩大，其消耗的总电量相当惊人且在持续增长。
据CryptoMonday估算，单笔比特币交易，大约消耗2,165度电，而据剑桥大学2021年初估算，整个加密货币运行的年耗电量已经超过阿根廷、荷兰和阿联酋等国家，并且已经逼近挪威。
图1：加密货币耗电量
（图源：剑桥大学）
所以，无论是对比特币玩家，还是对整个加密货币产业而言，耗电始终是人们最关心的指标之一。在提升矿机电源系统效率的过程中，SiC（碳化硅）是一项具有代表性的技术，让矿机持续向着更高功率密度进发。在此，我们将为大家解读SiC技术在矿机电源系统中的重要作用，以及贸泽电子平台在售的具有出色性能的SiC元器件。
用电效率决定“挖矿”收益
如上面数据所示，矿机的耗能是非常巨大的，这也引起了业界的重视，开始着力提升矿机电源效率和稳定性，随之诞生了许多新的技术、产品和拓扑结构等。
拥有一款好的电源对矿机本身的稳定运行来说至关重要，无论是基于显卡、FPGA，还是基于ASIC实现的矿机，都采用极度压榨性能的方式运转，并且是长期运转。因此，“挖矿”会消耗大量的电能，对矿机稳定性也要求极高。一款好的矿机电源不仅能够提供矿机运转所需要的功率，并且由于转换效率更高，还能让“挖矿”相对省电，而良好的电源品质则是矿机持续稳定输出的前提。
对于矿机的使用者而言，虽然他们可能并不关注相关技术的创新，但这些却和他们关心的成本和收益直接挂钩。矿机电源的稳定性一方面和矿机寿命直接挂钩，另一方面和使用者的收益稳定性紧密相连，重要性也就不必多说。而众所周知，在“挖矿”成本方面，矿机使用者最大的成本并不是采购矿机而是电费，以某品牌矿机为例，其算力为13.5T，功耗是1.4kW，矿机在二十四小时运行的情况下耗能是1.4kW*24=33.6度，单看并不惊人，但是要知道一个矿场少则拥有矿机数千台，多则数十万台。因此，如果能够提升矿机电源效率，能够给“挖矿”人员节省很大一笔费用。
为了追求“挖矿”收益的最大化，产业界从两方面着手提升矿机的用电效率。
一、提高挖矿芯片的算力/功率比
也就是说，让矿机消耗的电能尽可能多地产生算力，进而在单位时间内挖出更多的比特币。不过，算力提升并不是一件简单的事情，涉及到计算芯片频率、带宽、显存等多个方面，往往需要借助比较先进的代工工艺，因此芯片成本不菲，总成本和投入产出比方面会存在巨大的挑战。
二、提升矿机主板电源效率
矿机电源并不是某一颗芯片，而是一个系统，因而可以借助技术创新、拓扑创新和产品创新等多方面进行调优。矿机电源优化的方向主要有两点，提升功率以适配更高性能的算力系统，以及提升电源转化效率，在保证高算力输出的同时还能够相对省电。当然，为了减少系统维护的频率和成本，也会在欠压、短路、过载、过温保护等方面持续改进，增强系统的稳定性。
我们会发现，主流的矿卡公司在发布新品的时候，大都会更新自己的电源主板或者电源模块。对于后者而言，采用高性能功率器件是改善矿机主板电源效率的主要方法，而这恰恰是我们今天谈论的主角——SiC器件的强项。
SiC可提升矿机电源效率与可靠性
作为半导体材料，SiC具有击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高、抗辐射能力强等优势，这便给SiC器件带来了诸多特征参数方面的提升，比如更低的开关损耗和导通损耗，更高的耐压容量，更高的工作频率，更高的工作温度，更高的功率密度等等，而这些都是提升矿机电源功率以及电能转化效率的好办法。
在提升电源功率方面，我们已经讲过，SiC是能够承受高电压和大电流的新型半导体，因此对于功率提升是其天然的优势，能给矿机电源带来积极的变化。同时，由于SiC器件相较于传统的Si器件拥有更低的开关损耗和导通损耗，因此能够显著减少系统中的散热器件，并借助创新拓扑减小电容等无源器件的尺寸，实现更高的功率密度。
在提升电能转化效率方面，SiC器件具有非常低的导通电阻，那么开发人员就能够借此实现更高的开关频率，实现更高的效率水平。对于传统的Si器件而言，想要实现更高的效率水平，系统设计的难度会成倍增加，并且往往最终量产的功率芯片面积会较大。而我们都知道，功率芯片的价格通常与总芯片面积成正比，因此产品吸引力会大大下降。
除了我们最为关注的功率和效率，实际上在具体电路中，SiC器件相较传统Si器件在热击穿、电压/电力浪涌保护等方面都表现的更出色，这也就意味着SiC器件能够给电源系统带来更高的稳定性。无疑，这些都是矿机电源迫切需要的。从矿机电源的历史发展轨迹来看，目前已经走过了小功率和粗犷大功率时代，全面进入高度定制的精细化大功率时代。在此过程中，SiC器件能够帮助矿机在效率、可靠性和热管理等方面带来巨大的提升。
接下来，我们推荐几款贸泽电子在售的SiC器件，这些器件将对上述提到的优势进行近乎完美的诠释，帮助矿机电源应对越来越高的用电要求，让“挖矿”更加高效节能。
基于独特共源共栅电路配置的SiC FET
在众多的SiC器件中，SiC FET通常会被认为是一种接近理想的开关方案，通过采用共源共栅结构，在性能表征（FoM）方面取得了好的效果，甚至是超越了同阵营的SiC MOSFET，如下图2所示。
图2：SiC FET和SiC MOSFET的性能表征比较
（图源：UnitedSiC）
接下来，我们将为大家带来两款SiC FET产品的相关信息，它们均来自制造商UnitedSiC（已被Qorvo收购），首先第一款器件的物料号为UJ4C075060K3S，大家可以搜索此编号在贸泽电子平台上快速找到这款器件。
图3：UJ4C075060K3S
（图源：UnitedSiC）
UJ4C075060K3S是UnitedSiC系列第四代750V SiC FET产品，基于独特的共源共栅电路配置打造，拥有诸多优秀的性能。如上图所示，这些性能表征的改善即便是与同为SiC器件的SiC MOSFET相比都是显而易见的，我们在此进行一下更详细的解读。
在RDS(on)方面，UJ4C075060K3S提供60mΩ超低RDS(on)，并且单位面积通态电阻更低，本征电容也很低；降低了Coss(er)/Eoss和Coss(tr)；改善Qrr和Eon/Eoff在指定RDS(on)下的损耗。因而，在硬开关应用中，UnitedSiC第4代FET表现出超低的RDS(on)x EOSS，从而降低了导通和关断损耗。
图4：UJ4C075060K3S典型静态性能
（图源：UnitedSiC）
在产品使用方面，UJ4C075060K3S可用标准0V至12V或15V栅极驱动电压安全驱动，与所有Si IGBT、Si FET和SiC FET驱动电压一样，因此能够持“直接替代”现有的Si IGBT、Si FET、SiC FET或Si超级结器件，从而显著提高系统性能，而无需改变栅极驱动电压。此外，UJ4C075060K3S的优秀性能还包括出色的反向恢复、优秀的体二极管性能、低栅极电荷以及ESD保护等。
我们要为大家推荐的第二款器件同样属于UnitedSiC第四代750V SiC FET产品系列，和UJ4C075060K3S的区别在于封装。UnitedSiC UJ4C系列第四代750V SiC FET采用三引线TO-247-3L封装的产品便是UJ4C075060K3S，此外还有四引线TO-247-4封装，也就是UJ4C075060K4S（该产品在贸泽电子平台的物料号）。
图5：UJ4C075060K4S
（图源：UnitedSiC）
上述性能优势，UJ4C075060K4S全部都具备。当然，由于采用四引线TO-247-4封装，UJ4C075060K4S也有与UJ4C075060K3S不同的地方。通过开尔文源极设计，UJ4C075060K4S显著降低了开关损耗和栅极振铃。同时，TO-247-4封装相较于TO-247-3L封装，不仅可以简化驱动设计，而且还消除了栅极驱动回路中源极的封装电感部分，缩短驱动路径，减小杂散参数，加强驱动设计的可靠性。
下面我们看一下UnitedSiC UJ4C系列第四代750V SiC FET面向的应用领域。除了可用于矿机电源系统，第四代750V SiC FET在工业充电、电信整流器、数据中心PFC直流转换、可再生能源和储能应用中具有广泛的应用前景。需要特别指出的是，第四代750V SiC FET符合AEC-Q101标准，也能够加速宽带隙器件在汽车充电领域的快速发展。
对软开关设计进行优化的UJ3C SiC FET
在介绍UnitedSiC UJ4C系列第四代750V SiC FET时，我们谈到了SiC FET器件在性能方面的一些优势，尤其是性能表征方面，此章节我们将对此进行更进一步的汇总。得益于独特的共源共栅结构，与包括SiC MOSFET、Si MOSFET和GaN HEMT在内的其他可用功率晶体管相比，SiC FET在导通状态和热特性、开关特性、雪崩和短路特性、并联工作特性等方面均具有明显的优势。上面我们已经提到了开关、导通、短路相关方面的一些表现，接下来我们展开解读一下雪崩和并联工作特性。
在雪崩特性方面，UnitedSiC推送的技术内容中，有过专门的性能测试。如下图6所示，这是UnitedSiC的UF3SC120009K4S在两种情况下的典型雪崩特性，我们能够看到，右侧图片上，在较短的电感尖峰下，UF3SC120009K4S的峰值雪崩电流处理能力超过200A，展现出SiC FET对雪崩电流具有极强的吸收能力。
图6：UF3SC120009K4S典型的雪崩特性
（图源：UnitedSiC）
在并联工作特性方面，UnitedSiC同样是基于UF3SC120009K4S进行了性能展示，在此该公司特别指出，SiC FET由于RDS（ON）的正温度系数，加之开关特性实际上是由SiC JFET而不是低电压MOSFET控制，因此导通状态电流能够达到平衡。如下图7所示，在开关打开和关闭期间，两个UF3SC120009K4S器件在VGS = +15/-5V时以60A（总共120A）的电流并联开关，每个栅极使用15Ω RG，在栅极返回路径为1Ω。在高速开关条件实现了出色的共享。
图7：UF3SC120009K4S并联工作特性
（图源：UnitedSiC）
在较为全面为大家解读SiC FET器件的性能优势之后，我们为大家推荐UnitedSiC另一个SiC FET器件系列——UJ3C SiC FET。系列中的一款产品在贸泽电子平台的物料号为UJ3C065080K3S。
图8：UJ3C065080K3S
（图源：UnitedSiC）
除了独特的共源共栅结构带来的性能优势，UJ3C065080K3S还针对软开关设计进行了优化，以实现MOSFET正常关闭操作、高性能体二极管、便捷门驱动与SiC JFET的效率、速度和高额定温度值的理想组合，进而提供了更高的开关频率，在保证效率、减少无源组件尺寸和成本的情况下，获得更好的系统收益。
除了采用TO-247-3L封装形式的UJ3C065080K3S，UnitedSiC UJ3C SiC FET还提供工业标准D2PAK-3L、TO-220-3L封装，为光伏逆变器、开关电源、功率因数校正模块、马达驱动器、感应加热等应用赋能。此外，各类型封装UnitedSiC UJ3C SiC FET产品中的绝大多数都满足AEC-Q101标准，适合于汽车相关应用。如果大家对UJ3C SiC FET系列中的其他产品感兴趣，可以通过UJ3C065080K3S的器件详情页快速找到它们。
可直连矿机负载板的交流-直流前端电源
对于高性能、高可靠计算设备，以及很多网络交换设备而言，它们一般都需要稳定的单向直流电源为其供电，不过电网传输过来的电能很多都属于交流电，因此交流-直流前端电源便成为一种必需品。接下来，我们为大家推荐的便是一款可直连矿机负载板的交流-直流前端电源，来自制造商Bel Power Solutions，贸泽电子平台上，该器件的物料号为PET2000-NAS446。
图9：PET2000-NAS446
（图源：Bel Power Solutions）
PET2000-NAS446是2,000W交流-直流、功率因数校正（PFC）电源，可将标准交流电源转换成12VDC主输出。在产品设计上，PET2000-NAS446采用全数字控制架构，以提高效率、控制和功能，并拥有出色的性能，包括优异的80 PLUS白金级效率、2,000W连续输出功率能力、不间断12V待机输出、带PFC功能的交流输入以及高密度设计等。PET2000-NAS446包含四根450mm长的电缆以及20引脚连接器，其中四个连接器设计用于直接连接到各个采矿负载板。
图10：PET2000-NAS446系统框图
（图源：Bel Power Solutions）
图11：PET2000-NAS446高效率表现
（图源：Bel Power Solutions）
PET2000-NAS446电源符合国际安全标准，带有欧洲低电压指令（LVD）的CE标记。除了可以用于加密货币挖矿，也能够为区块链应用、网络交换机、服务器和路由器等应用带来高效稳定能量供应。
效率与可靠性是电源产品的永久追求
考虑到可持续发展，目前全球主要国家和地区对电源品质要求越来越严格，高能耗、低品质的电源产品将逐步被淘汰。在此过程中，数字加密货币产业需要抑制功耗随着市场规模扩大的趋势，这离不开电源技术优化。贸泽电子为工程师提供了开发矿机电源所需的充足元器件与技术资料和教程，在贸泽电子官网可一站式实现高效率矿机电源开发。
来源：Mouser
