尋找適用的技術(shù)解決數(shù)據(jù)中心電源挑戰(zhàn)

數(shù)字化和云服務(wù)的快速部署推動了全球數(shù)據(jù)中心的增長。數(shù)據(jù)中心消耗全球近 1% 的電力，這一數(shù)字預(yù)計還會增長。元宇宙、增強現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)實等行業(yè)趨勢將繼續(xù)消耗超出地球可持續(xù)生產(chǎn)的能源。雖然增加可再生能源是朝著正確方向邁出的一步，但這還不夠，由于服務(wù)器及其冷卻系統(tǒng)消耗著近 40% 的數(shù)據(jù)中心運營成本，能效成為需要重點關(guān)注的另一個領(lǐng)域。

數(shù)據(jù)中心電源的全球標準也繼續(xù)朝著更高效率的方向發(fā)展。開源計算項目（OCP）3.0 進一步優(yōu)化硬件來降低能耗，80 Plus 白金和鈦金認證要求以及歐盟的（ErP）Lot 9 法規(guī)也在不斷發(fā)展（表 1）。

表 1：LOT 9 和 80 PLUS 的要求類似，80PLUS 鈦金應(yīng)用要求 PFC 峰值效率超過 98.5%。

電源架構(gòu)演變

隨著處理器和服務(wù)器功率的增加，數(shù)據(jù)中心每個機架也將使用更多的電源。隨著更高功率密度的發(fā)展趨勢，數(shù)據(jù)中心每個模塊在 2-4 kW 。[i]在第一代 12 V 系統(tǒng)中，這一功率意味著必須處理更高的電流。向服務(wù)器提供 1 kW 的功率，傳統(tǒng)的 12 V 架構(gòu)需要提供 83 A 的電流。為了控制 I2R 損耗和解決安全問題，需要在此類系統(tǒng)的線束中使用更多的銅。

效率提升 1% 可使數(shù)據(jù)中心節(jié)省數(shù)千瓦功率，第二代電源架構(gòu)采用 48 V，I2R 損耗降低至十六分之一，同時仍低于 UL-60950-1 標準 60 V DC 安全超低電壓（SELV）限制，超過該限制需要采取額外的絕緣和測試。為了滿足新的能效要求，企業(yè)數(shù)據(jù)中心電力部門因此開始采用48 V 架構(gòu)。

第 2 代機架系統(tǒng)通常采用單獨的 2-4 kW 電源模塊構(gòu)建，每個機架使用通過 48 V DC 電源充電的更小型不間斷電源（UPS），取代了第 1 代大規(guī)模高壓 UPS 和配電單元（PDU）。AC-DC 和 DC-DC 電源不僅為每塊服務(wù)器主板供電，還會為 UPS 電池充電。由于將第 1 代中的負載共享和冗余移除，這便要求每個電源在接近滿負荷（100%）的情況下運行。

服務(wù)器 PSU 面臨的挑戰(zhàn)

除了上述變化帶來的挑戰(zhàn)之外，值得注意的是，OCP 3.0、開放式機架 V.2（ORV）和比特幣/礦機電源單元（PSU）需要從 2 kW 轉(zhuǎn)至 3-4 kW 范圍。由于機架制造商繼續(xù)要求采用 40 mm（高）尺寸。因此電源供應(yīng)商需要通過提高開關(guān)頻率，減小被動元器件體積來提高功率密度、以更高效率減小功率損耗，且更低成本的散熱管理滿足系統(tǒng)散熱要求。

在考慮使用半導(dǎo)體器件技術(shù)解決這些挑戰(zhàn)時，必須注意帶隙、臨界電擊穿、電子遷移率和熱導(dǎo)率方面的差異，所有這些因素都會影響系統(tǒng)的峰值工作溫度、電壓、效率和熱管理要求。

半導(dǎo)體解決方案

盡管硅（Si）是最常見的技術(shù)，但與氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）等寬帶隙材料相比，硅的帶隙較小，這限制了硅的工作溫度，其較低的擊穿電場限制了硅在較低電壓下的使用，而較低的熱導(dǎo)率也限制了功率密度。

為滿足數(shù)據(jù)中心電源所需的高效率，功率器件的開關(guān)損耗和傳導(dǎo)損耗都非常重要。當(dāng)漏源導(dǎo)通電阻（RDS(ON)）較低, 并且隨溫度變化較小時，傳導(dǎo)損耗（即器件的 I2R 損耗）較低。

許多設(shè)計人員都考慮使用這些技術(shù)來滿足第 2 代數(shù)據(jù)中心 PSU 要求，包括 SiC、GaN 和 Si 超級結(jié)（SJ）。有趣的是，GaN 和 SJ 器件在25 °C 時都有較低的 RDS(ON)，對于數(shù)據(jù)中心電源而言，這一溫度不太實際。由于 GaN 和 SJ 器件的數(shù)據(jù)手冊通常規(guī)定 RDS(ON) 在 25 °C 時的值，這可能會誤導(dǎo)工程師，讓他們誤以為該 RDS(ON) 是系統(tǒng)工作時的導(dǎo)通電阻。 圖 2 中需要注意的另一個有趣特性是 RDS(ON) 隨溫度發(fā)生的變化。SiC 的曲線幾乎保持平坦，但是其他技術(shù)的器件顯示 RDS(ON) 顯著增加，但這一變化對 GaN 來說尤其明顯。由于設(shè)計人員必須在 120 °C 至 140 °C 的實際結(jié)溫下使用 RDS(ON)，因此 60 mW SiC 器件的 RDS(ON) 將達到 80 mW，而 40 mW Si SJ 或 GaN 器件的 RDS(ON) 將遠遠超過 80 mW。

GaN 的低開關(guān)損耗 ? 低總損耗

GaN 的高電子遷移率特性使其在非常高的開關(guān)頻率下具有出色的效率，這點已經(jīng)得到公認。在本文討論的技術(shù)中，GaN 的開關(guān)損耗最低。

Wolfspeed 在圖騰柱 PFC 仿真中將 60 mW SiC 器件與 50 mW GaN 器件進行了比較，發(fā)現(xiàn)盡管 GaN 在整個功率范圍內(nèi)的開關(guān)損耗略低，但這一優(yōu)勢都被隨功率增加及之后結(jié)溫升高而增加的導(dǎo)通損耗所抵消。

由于器件存在功率限制，GaN 測試不得不在 3 kW 停止。該研究清楚地表明，在更高功率下SiC 的總損耗顯著降低。

圖 4 對三種半導(dǎo)體技術(shù)的各種器件級性能規(guī)格進行了比較。

乍看之下，我們注意到 GaN 的優(yōu)勢是：在連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）同步整流器中，反向恢復(fù)電荷 Qrr 最低，開關(guān)損耗最低；在低死區(qū)時間、高頻率和高效率下，時間相關(guān)的輸出電容 Coss(tr) 最低；在硬開關(guān)拓撲中，能量相關(guān)的輸出電容 Coss(er) 最低，開關(guān)損耗最小。請注意，SiC 在這些屬性上緊隨 GaN 之后，而 Si 則明顯落后。

硅優(yōu)勢包括結(jié)殼熱阻 Rthjc 最低（可提供更好的熱性能）和閾值電壓 Vth 最高（可提供更好的抗噪能力，使 Si 器件更易于驅(qū)動）。注意，GaN 具有極低的 Vth。

最大結(jié)溫 Tj_max 和雪崩能量、單脈沖 Eas 表明器件的穩(wěn)定性。如圖所示，SiC 最穩(wěn)定，而 GaN 不具備 Eas 能力。SiC 在整個溫度范圍內(nèi)的 RDS(ON) 變化最小，因此高溫時的傳導(dǎo)損耗較低。在這種情況下，GaN 會顯著滯后，從而抵消低開關(guān)損耗帶來的所有優(yōu)勢。

總之，SiC 的優(yōu)勢有助于在更高的功率水平下，為企業(yè)數(shù)據(jù)中心和類似要求苛刻的應(yīng)用中提供最高的效率和功率密度。

從封裝角度來看

由于 Wolfspeed 開發(fā)的 SiC 技術(shù)成功從 Si 過渡而來，因此許多常見的表貼和通孔封裝也可用于 SiC 產(chǎn)品。然而，GaN 面臨封裝標準化帶來的獨特挑戰(zhàn)。

例如，GaN 通孔封裝并不常見，因為產(chǎn)品需要具有較低的寄生效應(yīng)，并允許使用超高頻開關(guān)以最大程度利用材料的優(yōu)勢。GaN 通常采用大型 QFN 或定制封裝。大型 QFN 存在電路板級可靠性問題，定制封裝缺乏多源可用性，分包商加工能力也不足。

GaN 帶來的功率器件封裝挑戰(zhàn)不止于此。其他常見問題包括：

開爾文源引腳在 SiC 中廣泛采用，可減小驅(qū)動回路雜散電感，實現(xiàn)更好的開關(guān)控制，但在Cascode GaN 中并不可行，因為其內(nèi)部電容以及級聯(lián)的低壓MOS等寄生參數(shù)無法考慮在內(nèi)。共源極無法消除，共源共柵 GaN 僅限于 TO-247-3（三引腳）封裝，其中柵極振蕩的脆弱性限制了開關(guān)速度。

市場上的一些定制封裝非常薄，限制了散熱器的可用空間。

市場上的另一種定制封裝具有頂部冷卻，這需要使用具有高導(dǎo)熱性的熱界面材料（Tim）實現(xiàn)器件散熱。

另一種用于 GaN 的無引線（TOLL）封裝將柵極和開爾文源極放置在不同于標準 Si 的方向上，這使得從后一種技術(shù)的過渡變得很麻煩。

隨著市場轉(zhuǎn)向高功率密度設(shè)計和更嚴格的空間限制，無引線（TOLL）封裝具有高度低、尺寸小的優(yōu)勢，其無引線封裝會降低引線電感，否則這在高頻操作中會成為一個問題。這種封裝的漏極焊盤面積更大，解決了小封裝散熱性能問題。

對于數(shù)據(jù)中心和服務(wù)器電源市場而言，TOLL 是一種相對較新的封裝方式。然而，Wolfspeed 正在從事這一方面的產(chǎn)品開發(fā)，為市場提供支持，例如面向數(shù)據(jù)中心和服務(wù)器電源的新 TOLL 封裝。

系統(tǒng)級比較

與基于 Si 的 H 橋相比，基于 SiC 的 CCM 圖騰柱 PFC 不僅具有更高的效率，而且在相同或更低的成本下具有更高的功率密度。不同技術(shù)之間的效率比較清楚地表明，雖然基于 SiC 和 GaN 的 CCM 圖騰柱 PFC 可以實現(xiàn) 99% 以上的效率，但 GaN 僅在非常輕的負載下具有效率優(yōu)勢。如前所述，GaN 的 RDS(ON) 隨溫度的變化要大得多,這導(dǎo)致其效率曲線在較高功率/負載下急劇下降。因此，在數(shù)據(jù)中心等需要全天候或接近全天候滿負荷運行的應(yīng)用中，GaN 無法滿足效率要求。

另一方面，SiC 在半負載時的效率與 GaN 相似，在滿負載時效率更高（。

從更廣泛的角度來看，包括 SiC 和 GaN 基于 CCM 圖騰柱 PFC 的功率密度、元件數(shù)量和相對成本（表 2），我們注意到在高功率密度應(yīng)用中，SiC 不僅在效率方面優(yōu)于 GaN，而且在柵極驅(qū)動復(fù)雜性、控制和成本方面也優(yōu)于 GaN。

表 2：SIC 和 GAN 基無橋 PFC 的拓撲和元件分析。

在對不同公司的寬帶隙器件設(shè)計的另一項比較中，Wolfspeed SiC 顯示出明顯優(yōu)勢（表 3）。需要注意的一些要點是：

許多現(xiàn)有的參考設(shè)計要求實現(xiàn)不切實際的散熱管理，并限制了設(shè)計的靈活性。

由于 RDS(ON) 的溫度系數(shù)較高，基于 GaN FET 的圖騰柱設(shè)計在滿負載時效率較低。

正如預(yù)期的那樣，SiC 的低 RDS(ON) 溫度系數(shù)使 Wolfspeed 的設(shè)計從半負載到滿負載呈現(xiàn)出近乎平坦的效率曲線。

雖然 SiC 和 GaN 可滿足 2-4 kW 范圍內(nèi)的無橋 PFC 要求，但高傳導(dǎo)損耗使 GaN 散熱設(shè)計在 4 kW 以上面臨挑戰(zhàn)。

為滿足 CE 的 EMI 要求，參考設(shè)計的系統(tǒng)頻率限制在 45-47 kHz 和 60-67 kHz 范圍內(nèi)，將諧波保持在 150 kHz 以下，這就否定了 GaN 的低開關(guān)損耗優(yōu)勢。

表 3：市場上寬帶隙參考設(shè)計的競爭分析。

Wolfspeed 的 3.6 kW 解決方案

Wolfspeed 的全新 3.6 kW 圖騰柱 PFC 參考設(shè)計（表 3，最后一行）旨在解決數(shù)據(jù)中心和服務(wù)器電源挑戰(zhàn)，在半負載時效率超過 99%，滿負載時效率超過 98.5%，達到 80 Plus 鈦金和 ErP Lot 9 要求。

表 4：WOLFSPEED 的 3.6 KW 設(shè)計中四 MOSFET 和雙 MOSFET 選項的效率和成本比較。

該設(shè)計還提供了一定的靈活性，可以犧牲部分高效率以降低成本，但同時仍能滿足上述效率標準（表 4）。低成本選項用二極管取代設(shè)計中低頻（LF）管腳的兩個 MOSFET，同時保留高頻 （HF ）管腳的兩個 MOSFET。

雙子板設(shè)計概念使客戶能夠根據(jù)其系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)先級靈活選擇正確的選項。

在開發(fā)此類解決方案時，Wolfspeed 利用其豐富經(jīng)驗，開發(fā)出市場上經(jīng)過最廣泛現(xiàn)場測試的 SiC 和 基于SiC的GaN 各類解決方案產(chǎn)品組合。

審核編輯：郭婷