用于數(shù)據(jù)中心的 GaN 技術(shù)

在第一部分，我們研究了數(shù)據(jù)中心架構(gòu)，并介紹了氮化鎵 (GaN) 功率 IC 及其在第二次電力電子革命中的作用。現(xiàn)在，讓我們看看數(shù)據(jù)中心本身內(nèi)支持 GaN 的高效硬件。

具有交流輸入的 GaN

對于傳統(tǒng)的 AC-in 架構(gòu)，GaN 可用于高頻軟開關(guān)拓?fù)?。對?a target="_blank">功率因數(shù)校正 (PFC) 級，傳統(tǒng)的硬開關(guān)、低頻 (47 kHz) 升壓升級為軟開關(guān) MHz“圖騰柱”，DC-DC 級也以類似方式升級。圖 1 顯示了“全 GaN”3.2 kW 方法的示例，具有 MHz 圖騰柱 PFC，然后是 MHz LLC。Navitas 650 V GaN 用于 PFC 和 DC-DC 初級，EPC 80 V GaN 用于 DC-DC 次級側(cè)整流。該設(shè)計尺寸僅為 1U x 2U x 210 mm (800 cc)，功率密度為 4 W/cc (65 W/in 3 )。

圖 1：3.2 kW AC-54V 轉(zhuǎn)換器；用于 MHz 圖騰柱 PFC 和 MHz LLC 初級的 650V GaNFast 功率 IC，帶有用于 LLC 次級整流的 100V GaN FET。[北卡羅來納州立大學(xué)和德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校]

在業(yè)界，Eltek（臺達(dá)電子）于2017年發(fā)布了3千瓦Flatpack2 SHE [i]；GaN 基 AC-48/54/60 V 電源系列中的第一個，與早期的硅轉(zhuǎn)換器相比，它實現(xiàn)了 98% 的效率和 50% 的損耗降低。

具有 400 V DC (HVDC) 輸入的GaN

對于 HVDC，從歐姆定律推導(dǎo)出的基本方程是“功率損耗 = I 2 R”，因此對于每個配電網(wǎng)絡(luò)或連接器，保持盡可能高的電壓可以最大限度地減少給定功率的電流，從而減少損耗。HVDC 在數(shù)據(jù)中心的概念并不新鮮；NTT 早在 1999 年就開始工作[ii]，隨后是勞倫斯伯克利國家實驗室在 2006 年[iii]和英特爾在 2007 年[iv]。然而，數(shù)據(jù)中心市場保守，變化緩慢。電力成本（以美元/千瓦時為單位）、遵守《巴黎協(xié)定》的“凈零”碳排放目標(biāo)以及使用新技術(shù)來放大架構(gòu)變化的優(yōu)勢等因素正在加速采用，即 Si-to -氮化鎵。

對于 HVDC 網(wǎng)絡(luò)，我們可以使用傳統(tǒng) AC-48 V直流電源的后 PFC DC-DC“后端”，或者轉(zhuǎn)向更優(yōu)化、更精細(xì)的方法，其中功率可以轉(zhuǎn)換為 300 W 的整數(shù)（或類似）并位于距離負(fù)載最近的點——從而在最高電壓下最大化最長路徑。

在比較一流的硅生產(chǎn)設(shè)計 (100 W) 和需要堆疊 PCB 和大型散熱器的硅原型 (300 W) 時，GaN 在此類模塊化設(shè)計中的優(yōu)勢顯而易見。圖 2 顯示了這些硅設(shè)計以及使用 NV6117 GaNFast 電源 IC 的新型 400 V、300 W 單 PCB 設(shè)計，該設(shè)計遵循行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的“DOSA”1/4 磚封裝和引出線，便于安裝和升級。在 330-425 V DC的寬范圍內(nèi)輸入，以及從 -40°C 到 +100°C 的工作溫度，GaN 轉(zhuǎn)換器在僅 30 cc 的情況下提供完整的 300W 功率而不會降額。這意味著 10 W/cc 的世界一流功率密度，比任何其他符合 DOSA 標(biāo)準(zhǔn)的量產(chǎn)高壓 1/4 磚轉(zhuǎn)換器高 2 倍的功率。當(dāng)前的 300W 設(shè)計在創(chuàng)紀(jì)錄的 400 kHz 工作頻率下使用經(jīng)過行業(yè)驗證的硬開關(guān)半橋拓?fù)?，在滿載時效率高達(dá) 94.5%。使用軟開關(guān)拓?fù)洌梢栽?1/4 磚中實現(xiàn)超過 1 MHz 的功率密度目標(biāo)，并進(jìn)一步達(dá)到 1 kW 的功率密度目標(biāo)。

圖 2：400 V ? 磚設(shè)計：使用 Navitas NV6117 GaNFast 功率 IC 的單 PCB GaN 設(shè)計的功率密度 (W/cc) 是任何基于硅的轉(zhuǎn)換器的 2 倍。[納維達(dá)]

從 48 V 到負(fù)載的 GaN

對于低壓配電網(wǎng)絡(luò)，從 12 V 升級到 48 V 意味著配電損耗減少 16 倍。這種變化是由 IBM 等公司在 2007 年的 Blue Gene/P 超級計算機(jī)和 Google 于 2014 年在其香港數(shù)據(jù)中心率先推出的。隨著 GPU 所需功率的增加，NVIDIA 也將其 GPU 模塊輸入軌從 12 V 至 48 V – 這一變化已擴(kuò)展到高端筆記本電腦，配備使用 GaNFast 電源 IC 的匹配 300 W AC-48V 適配器。

從 ~48 V 到 CPU、GPU 和內(nèi)存，可以部署低壓 GaN (<=80 V)。對于 48 V – 6 V 下變頻，GaN 從 27 x 18 mm 開放式框架 DCX (LLC) 以超過 100 W/cc (1700 W/in 3 ) 的功率實現(xiàn) 300 W。獲得處理器電壓（在 100A 以上時低至 0.6V）需要 48V-1.xV 的新拓?fù)?，或者采用?Intel Haswell 處理器開創(chuàng)并以類似方式先進(jìn)的新型全集成穩(wěn)壓器“FIVR”拓?fù)?集成的高頻解決方案，如 Empower IVR。

GaN 接管（總結(jié)）

隨著數(shù)據(jù)中心流量的加速，硅有效地處理功率的能力擊中了“物理材料”的障礙，而舊的、緩慢的硅芯片被高速氮化鎵超越。數(shù)據(jù)中心硬件的整合、新的 HVDC 架構(gòu)方法以及量產(chǎn)、高度集成的 GaN 電源 IC 經(jīng)驗證的可靠性，可顯著提高效率。這種“快進(jìn)”意味著向整個電力電子和數(shù)據(jù)中心行業(yè)的碳“凈零”目標(biāo)又邁進(jìn)了一步。

審核編輯 黃昊宇