為什么說這兩種寬帶隙半導(dǎo)體將成為數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)的新寵？

數(shù)據(jù)中心在日益數(shù)字化、互聯(lián)化和虛擬化的世界中發(fā)揮著關(guān)鍵和重要的作用。由于數(shù)據(jù)中心有巨大的能源需求，因此需要能夠減少電力損失、提高效率和加強(qiáng)熱控制的電源解決方案。

近年來，由于用戶數(shù)量增多，移動設(shè)備和社交網(wǎng)絡(luò)的廣泛使用，以及信息在云端的遠(yuǎn)程存儲，互聯(lián)網(wǎng)的流量有了很大的增長。據(jù)分析人士稱，這種流量的增長仍未達(dá)到完全飽和。

這些增長預(yù)測提出了有關(guān)設(shè)備效率和電力消耗的問題，這刺激了新的節(jié)能電力轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展，如寬帶隙 (WBG) 功率器件所提供的技術(shù)。

效率最重要

除了物理基礎(chǔ)設(shè)施外，數(shù)據(jù)中心是一個(gè)容納聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算機(jī)服務(wù)器的結(jié)構(gòu)，用于電子處理、存儲和數(shù)據(jù)分發(fā)。數(shù)據(jù)中心的關(guān)鍵組成部分是服務(wù)器，這是一個(gè)存儲數(shù)據(jù)的設(shè)備，為互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)提供動力。

由于創(chuàng)建、處理和存儲的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)量不斷增加，能源需求也不斷上升。除了為機(jī)架、數(shù)據(jù)存儲和網(wǎng)絡(luò)單元供電外，數(shù)據(jù)中心還需要輔助的冷卻和通風(fēng)設(shè)備，以消除數(shù)據(jù)處理和電力轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的熱量。

數(shù)據(jù)中心使用的電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)包括多個(gè) AC/DC、DC/AC 和 DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器，整個(gè)數(shù)據(jù)中心的效率完全取決于這些轉(zhuǎn)換器。降低為數(shù)據(jù)處理和存儲設(shè)備供電的轉(zhuǎn)換器中的損耗有兩大關(guān)鍵優(yōu)勢。首先，不需要供應(yīng)不被轉(zhuǎn)化為熱能的能量；其次，處理廢熱所需的能量也減少了。

數(shù)據(jù)中心的效率通常用電力使用效率 (PUE) 指標(biāo)來衡量。PUE 由綠色電網(wǎng)組織開發(fā)，是比較數(shù)據(jù)中心能源使用的標(biāo)準(zhǔn)方法，定義為數(shù)據(jù)中心整體能源使用與信息技術(shù) (IT) 設(shè)備能源使用之比。

PUE指標(biāo)是一個(gè)基本的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，足以確定發(fā)展方向。盡管不是一個(gè)完美的衡量標(biāo)準(zhǔn)，但它已經(jīng)成為一個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。PUE 最好接近統(tǒng)一，這意味著數(shù)據(jù)中心只需要電力來支持其 IT 需求。然而，根據(jù)國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室 (NREL)2 的數(shù)據(jù)，平均 PUE 約為 1.8。數(shù)據(jù)中心的 PUE 值范圍很廣，但注重效率的數(shù)據(jù)中心經(jīng)常達(dá)到 1.2 或更低的 PUE 值。

PUE值高原因可能不盡相同，比如以下原因：

• 存在“僵尸”（或“昏迷”）服務(wù)器和不間斷電源 (UPS)，意味著設(shè)備已經(jīng)打開，但沒有得到充分利用。它包括無意中閑置的設(shè)備，這些設(shè)備在沒有可見性或外部通信的情況下消耗電力。

• 低效的備份和冷卻策略

• 數(shù)據(jù)中心更注重可靠性而非效率

在冷卻風(fēng)扇上添加變頻驅(qū)動器 (VFD) 和盡量減少服務(wù)器和 UPS 的數(shù)量是降低 PUE 的兩種常見方法。在過去幾年中，從傳統(tǒng)的 12 V 架構(gòu)過渡到更高效的 48 V 解決方案（見圖 1），減少了大量的功率損失（I2R 損失），為日益增長的耗費(fèi)電力的處理系統(tǒng)提供了更高效的解決方案。在電源結(jié)構(gòu)中使用48 V 電壓，可使 I2R 損耗降低 16 倍?？紤]到效率提高一個(gè)百分點(diǎn)就能在整個(gè)數(shù)據(jù)中心層面節(jié)省千瓦級電力，因此這有助于滿足要求不斷提升的能源效率要求。

圖 1：WBG 半導(dǎo)體提供了比硅器件更好的性能。（圖片來源：Researchgate）

WBG半導(dǎo)體在數(shù)據(jù)中心的優(yōu)勢

盡管硅 (Si) 是最知名的技術(shù)，但其帶隙比像氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 這樣的寬帶隙 (WBG) 材料要小，這降低了其工作溫度，限制了其在較低電壓下的使用，并降低了其導(dǎo)熱率。

采用更有效的功率器件，如用 WBG 半導(dǎo)體代替硅，就是一個(gè)更有效的選擇。像 GaN 和 SiC 這樣的 WBG 半導(dǎo)體可以克服硅技術(shù)的限制，提供高擊穿電壓、高開關(guān)頻率，降低傳導(dǎo)和開關(guān)損耗，從而實(shí)現(xiàn)更好的散熱和更小的外形尺寸（見圖 1）。這使得電源和電源轉(zhuǎn)換階段的效率更高。如上所述，在數(shù)據(jù)中心中，即使效率提高一個(gè)百分點(diǎn)，也可以轉(zhuǎn)化為大量的能源節(jié)約。

GaN

GaN（氮化鎵）是一類新興的寬帶隙材料，其電子帶隙比硅 (1.1 eV) 大三倍 (3.4 eV)。此外，與硅相比，GaN 具有兩倍的電子遷移率。GaN 在非常高的開關(guān)頻率下具有眾所周知和無與倫比的效率，這是因其巨大的電子遷移率所決定的。

這些特性能夠讓基于氮化鎵的功率器件在更小的芯片尺寸內(nèi)承受更強(qiáng)的電場。更小的晶體管和更短的電流路徑帶來了超低的電阻和電容，并使開關(guān)速度提高 100 倍。

減少了電阻和電容也提高了電源轉(zhuǎn)換效率，為數(shù)據(jù)中心的工作負(fù)載提供更多的電力。與其產(chǎn)生更多的熱量，從而需要為數(shù)據(jù)中心提供更多的冷卻，不如在每瓦特上完成更多的數(shù)據(jù)中心操作。高開關(guān)頻率也減少了儲能無源元件的尺寸和重量，因?yàn)槊總€(gè)開關(guān)周期儲存的能量大大減少。GaN 的另一個(gè)優(yōu)勢是它能夠支持不同的電源轉(zhuǎn)換器和電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

GaN與數(shù)據(jù)中心應(yīng)用相關(guān)的主要特性如下：

• 支持硬和軟開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

• 快速開啟和關(guān)閉（GaN 開關(guān)波形與理想方波幾乎相同）

• 零反向恢復(fù)電荷

• 與硅技術(shù)相比：

• 擊穿電場提升了 10 倍

• 遷移率提高了 2 倍

• 輸出電荷降低了 10 倍

• 柵極電荷和線性 Coss（輸出電容）特性降低了10 倍

這些特性使得 GaN 功率器件能夠讓解決方案實(shí)現(xiàn)：

• 高效率、高功率密度和高開關(guān)頻率

• 減少外形尺寸和導(dǎo)通電阻

• 重量輕

• 近乎無損的開關(guān)操作。

圖 2 顯示了 GaN 功率器件的一個(gè)典型目標(biāo)應(yīng)用。這些高壓無橋圖騰柱 PFC 級和高壓諧振 LLC 級可以滿足服務(wù)器 SMPS 的嚴(yán)格要求，在寬負(fù)荷范圍和高功率密度下實(shí)現(xiàn) 99% 以上的穩(wěn)定效率。

圖 2：用于數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的高效 GaN 開關(guān)模式電源(SMPS)（來源：Infineon）

SiC

歷史上，SiC功率器件在數(shù)據(jù)中心的最早應(yīng)用之一是 UPS 設(shè)備。UPS 對數(shù)據(jù)中心來說是必不可少的，以防止市電故障或中斷對其運(yùn)營產(chǎn)生潛在的災(zāi)難性影響。電源冗余對于確保數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行連續(xù)性和可靠性至關(guān)重要。優(yōu)化數(shù)據(jù)中心的電力使用效率 (PUE) 是每個(gè)企業(yè)家和運(yùn)營管理層的首要任務(wù)。

一個(gè)可靠的、持續(xù)的電源對數(shù)據(jù)中心來說是必要的。為滿足這一要求，經(jīng)常采用與電壓和頻率無關(guān)的 (VFI) UPS 系統(tǒng)。一個(gè) AC/DC 轉(zhuǎn)換器（整流器）、一個(gè) DC/AC 轉(zhuǎn)換器（逆變器）和一個(gè) DC Link 組成了一臺 VFI UPS 設(shè)備。旁通開關(guān)主要在維護(hù)期間使用，將 UPS 輸出直接連接到輸入端的交流電源上。在市電發(fā)生故障的情況下，通常由許多電池組成的電池組連接到降壓或升壓轉(zhuǎn)換器，為電源供電。

由于輸入端的交流電壓被轉(zhuǎn)換為直接電壓，然后再次轉(zhuǎn)換為精確的正弦輸出電壓，這些設(shè)備通常是雙轉(zhuǎn)換電路。其結(jié)果是消除了任何供電電壓的變化，讓 UPS 能夠向負(fù)載提供穩(wěn)定和干凈的信號。除了將系統(tǒng)與電源隔離外，電壓轉(zhuǎn)換過程還使負(fù)載免受電壓波動的影響。

直到最近，具有三層開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 才實(shí)現(xiàn)了最佳的效率結(jié)果。由于這種方法達(dá)到了96% 的效率水平，與早期基于變壓器的模型相比，這是一個(gè)重大的改進(jìn)。

碳化硅晶體管使得在雙轉(zhuǎn)換 UPS 系統(tǒng)中的功率損失大大減少 (>70%)，并使得效率提升成為可能。這種超凡的效率（超過 98%）在低負(fù)荷和重負(fù)荷的情況下都會持續(xù)保持。

由于碳化硅的固有特性，這種類型的結(jié)果是可以獲得的。與傳統(tǒng)的硅基器件（如 MOSFET 和 IGBT）相比，SiC可以在更高的溫度、頻率和電壓下工作。

基于 SiC 的不間斷電源的另一個(gè)優(yōu)勢是具有更好的熱損值（或排熱），并使之能夠在更高的溫度下運(yùn)行。這一特性能夠讓設(shè)計(jì)者采用更加緊湊和經(jīng)濟(jì)的冷卻解決方案?？偟膩碚f，基于 SiC 的 UPS 比采用硅基元件的同等型號更高效、更輕、更小。

基于 SiC 的半導(dǎo)體由于其固有的特性，相比傳統(tǒng)硅半導(dǎo)體可以在更高的溫度下工作。由于 UPS的熱損耗較低，并能在較高溫度下運(yùn)行，因此客戶的冷卻成本可以降低。

當(dāng)需要最大限度地利用數(shù)據(jù)中心的可用空間時(shí)，與傳統(tǒng)的硅基 UPS 相比，基于 SiC 的 UPS減少了重量和尺寸。此外，基于 SiC 的 UPS 需要的地面空間更少，這也增加了特定區(qū)域內(nèi)的可用電力容量。

結(jié)語

總之，像 GaN 和 SiC 這樣的 WBG 材料，是新興的半導(dǎo)體，將為數(shù)據(jù)中心等高要求應(yīng)用開辟一個(gè)新的電力電子發(fā)展航道。其優(yōu)勢全面，包括提高系統(tǒng)效率，降低冷卻系統(tǒng)要求，在更高溫度下運(yùn)行，以及更高的功率密度。隨著 GaN 和 SiC 功率器件集成到電壓轉(zhuǎn)換器和電源中，能幫助數(shù)據(jù)中心運(yùn)營商實(shí)現(xiàn)了更高的效率，最大限度地利用地面空間并降低整個(gè)設(shè)施的運(yùn)營成本。

小編的話

正如文章所言，在數(shù)據(jù)中心中，即使效率提高一個(gè)百分點(diǎn)，也可以轉(zhuǎn)化為大量的能源節(jié)約?？紤]到數(shù)據(jù)中心規(guī)模不斷增長的趨勢，對于數(shù)據(jù)中心的運(yùn)營者而言，如何減輕能耗焦慮，一直是一個(gè)重要的課題。從Si轉(zhuǎn)向WBG已經(jīng)成為一個(gè)成熟的選擇，而GaN和 SiC無疑將扮演重要的角色。您是否正在利用WBG進(jìn)行電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用？您在Si轉(zhuǎn)向WBG功率器件的過程中有哪些心得和經(jīng)驗(yàn)？歡迎留言，交流分享！

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