作者：Rolf Horn

　　數(shù)據(jù)中心在日益數(shù)字化、互聯(lián)和虛擬化的世界中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。由于數(shù)據(jù)中心具有巨大的能源需求，因此需要能夠減少功率損耗、提高效率和增強熱控制的電源解決方案。

　　近年來，由于用戶數(shù)量增加、移動設(shè)備和社交網(wǎng)絡(luò)的廣泛使用以及云中信息的遠(yuǎn)程存儲，互聯(lián)網(wǎng)上的流量大幅增長。據(jù)分析人士稱，這種流量的增長仍然需要達到完全飽和。

　　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，這刺激了新型節(jié)能功率轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展，例如寬帶隙(WBG)功率器件提供的技術(shù)。

　　效率至上

　　除了物理基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)之外，數(shù)據(jù)中心還是一種容納網(wǎng)絡(luò)計算機服務(wù)器的結(jié)構(gòu)，用于數(shù)據(jù)的電子處理、存儲和分發(fā)。數(shù)據(jù)中心的關(guān)鍵組件是服務(wù)器，這是一種存儲為 Internet、云計算和企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)提供支持的數(shù)據(jù)的設(shè)備。

　　由于創(chuàng)建、處理和存儲的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)量不斷增加，能源需求正在上升。除了為機架、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)中心中使用的電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)包括多個 AC/DC、DC/AC 和 DC/DC 電壓轉(zhuǎn)換器，整個數(shù)據(jù)中心的效率嚴(yán)格依賴于這些轉(zhuǎn)換器。降低為數(shù)據(jù)處理和存儲設(shè)備供電的轉(zhuǎn)換器的損耗有兩個主要好處。首先，不需要提供未轉(zhuǎn)化為熱量的能量;其次，減少了處理廢熱所需的能量。

　　數(shù)據(jù)中心效率通常使用電源使用效率 (PUE) 指標(biāo)來衡量。PUE 由 The Green Grid 開發(fā)，作為比較數(shù)據(jù)中心能源使用的標(biāo)準(zhǔn)方法，PUE 定義為數(shù)據(jù)中心能源使用與信息技術(shù) (IT) 設(shè)備能源使用的總體比率。

　　PUE度量是一個足夠基本的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，可以確定需要發(fā)展的領(lǐng)域。盡管不是一個完美的指標(biāo)，但它已成為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。理想情況下，PUE 應(yīng)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)國家可再生能源實驗室(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，但以效率為中心的數(shù)據(jù)中心通常達到 1.2 或更低的 PUE 值。

　　高 PUE 可能有不同的原因，如下所示：

　　“僵尸”(或“昏迷”)服務(wù)器和不間斷電源(UPS)，這意味著設(shè)備已打開但未充分利用。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

　　備份和冷卻策略效率低下

　　數(shù)據(jù)中心更關(guān)注可靠性而不是效率

　　向冷卻風(fēng)扇添加變頻驅(qū)動器 (VFD) 并最大限度地減少服務(wù)器和 UPS 的數(shù)量是降低 PUE 的兩種常用方法。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)降低了顯著的功率損耗(I2R損耗)，為功耗要求越來越高的處理系統(tǒng)提供了更高效的解決方案。在電源架構(gòu)中使用48 V可使I2R損耗降低16倍。這有助于滿足日益苛刻的能效要求，考慮到效率提高百分之一可以在整個數(shù)據(jù)中心級別節(jié)省千瓦。

　　圖 1：WBG 半導(dǎo)體提供比硅更好的性能。(圖片來源：研究門)

　　世界銀行集團半導(dǎo)體在數(shù)據(jù)中心的優(yōu)勢

　　雖然硅(Si)是最知名的技術(shù)，但它的帶隙比寬帶隙(WBG)材料(如氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC))小，這會降低其工作溫度，限制其使用在較低的電壓下并降低其導(dǎo)熱性。

　　采用更有效的功率器件，例如WBG半導(dǎo)體代替硅，可能是更有效的替代方案。WBG半導(dǎo)體，如GaN和SiC，可以克服硅技術(shù)的局限性，提供高擊穿電壓、高開關(guān)頻率、低導(dǎo)通和開關(guān)損耗、更好的散熱和更小的外形尺寸(見圖1)。這導(dǎo)致電源和電源轉(zhuǎn)換級的效率更高。如前所述，在數(shù)據(jù)中心中，即使效率提高一個百分點，也可以轉(zhuǎn)化為可觀的節(jié)能效果。

　　由

　　GaN是一類新興的寬帶隙材料，因為它的電子帶隙(3.4 eV)是硅(1.1 eV)的三倍。此外，與硅相比，GaN的電子遷移率是硅的兩倍。GaN在非常高的開關(guān)頻率下具有眾所周知的無與倫比的效率，這得益于其巨大的電子遷移率。

　　這些屬性允許 氮化鎵基功率器件 以更小的芯片尺寸承受更強的電場。更小的晶體管和更短的電流路徑可實現(xiàn)超低電阻和電容，使開關(guān)速率提高多達 100 倍。

　　降低電阻和電容還可以提高電源轉(zhuǎn)換效率，為數(shù)據(jù)中心的工作負(fù)載提供更多電源。每瓦特可以完成更多的數(shù)據(jù)中心操作，而不是產(chǎn)生更多的熱量，這將需要更多的數(shù)據(jù)中心冷卻。高速頻率開關(guān)還減小了儲能無源元件的尺寸和重量，因為每個開關(guān)周期存儲的能量要少得多。GaN的另一個優(yōu)點是它能夠支持不同的功率轉(zhuǎn)換器和電源拓?fù)洹?/span>

　　GaN與數(shù)據(jù)中心應(yīng)用相關(guān)的主要功能如下：

　　支持硬開關(guān)和軟交換拓?fù)?/span>

　　快速導(dǎo)通和關(guān)斷(GaN開關(guān)波形幾乎與理想方波相同)

　　零反向恢復(fù)費用

　　與硅技術(shù)相比：

　　擊穿場高 10 倍

　　移動性提高 2 倍

　　輸出電荷降低 10 倍

　　10 倍較低的柵極電荷和線性 Coss 特性

　　這些特性使GaN功率器件能夠?qū)崿F(xiàn)以下目標(biāo)的解決方案：

　　高效率、功率密度和開關(guān)頻率

　　減小外形尺寸和導(dǎo)通電阻

　　重量輕

　　幾乎無損的開關(guān)操作。

　　GaN功率器件的典型目標(biāo)應(yīng)用如圖2所示。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)載范圍和高功率密度下實現(xiàn)99%以上的平坦效率。

　　圖2：用于數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的高效氮化鎵開關(guān)模式電源(SMPS)(來源：英飛凌)

　　原文如此

　　從歷史上看，最早的應(yīng)用之一 碳化硅功率器件 在數(shù)據(jù)中心認(rèn)為UPS設(shè)備。UPS對于數(shù)據(jù)中心防止電源電壓故障或中斷對其運營的潛在災(zāi)難性影響至關(guān)重要。電源冗余對于確保數(shù)據(jù)中心的運營連續(xù)性和可靠性至關(guān)重要。優(yōu)化數(shù)據(jù)中心的功耗效率 (PUE) 是每個企業(yè)家和運營管理的首要任務(wù)。

　　數(shù)據(jù)中心需要可靠、恒定的電源。電壓和頻率無關(guān)(VFI)UPS系統(tǒng)經(jīng)常被用來滿足這一要求。AC/DC 轉(zhuǎn)換器(整流器)、DC/AC 轉(zhuǎn)換器(逆變器)和 DC 母線組成 VFI UPS 設(shè)備。旁路開關(guān)主要在維護期間使用，將UPS輸出直接連接到輸入端的交流電源。在主電源發(fā)生故障的情況下，電池通常由許多電池組成，連接到降壓或升壓轉(zhuǎn)換器并為電源供電。

　　由于輸入端的交流電壓被轉(zhuǎn)換為直流電壓，然后再次轉(zhuǎn)換為精確的正弦輸出電壓，因此這些器件通常是雙轉(zhuǎn)換電路。結(jié)果消除了任何電源電壓變化，使UPS能夠為負(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)換過程還可以保護負(fù)載免受電壓波動的影響。

　　直到最近，采用三電平開關(guān)拓?fù)涞慕^緣柵雙極晶體管(IGBT)的效率結(jié)果最好。由于這種方法實現(xiàn)了96%的效率水平，這是對早期基于變壓器的模型的重大改進。

　　碳化硅晶體管可以顯著降低(>70%)功率損耗并提高雙轉(zhuǎn)換UPS系統(tǒng)的效率。這種卓越的效率(超過98%)在低負(fù)載和重負(fù)載情況下持續(xù)存在。

　　由于碳化硅的固有特性，可以獲得這種類型的結(jié)果。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UPS的另一個優(yōu)點是更好的熱損失值(或散熱)，這使得可以在更高的溫度下運行。此功能使設(shè)計人員能夠采用更緊湊、更經(jīng)濟的冷卻解決方案。總體而言，基于 SiC 的 UPS 比具有硅基組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，可以在比傳統(tǒng)Si半導(dǎo)體更高的溫度下工作。因此，由于UPS的熱損失較低且能夠在較高溫度下運行，因此可以降低客戶的冷卻成本。

　　當(dāng)最大化數(shù)據(jù)中心的可用占地面積時，與傳統(tǒng)的硅基UPS相比，基于SiC的UPS減輕了重量和尺寸。此外，基于SiC的UPS需要更少的占地面積，增加了給定區(qū)域的可用功率容量。

　　結(jié)論

　　總之，WBG材料，如GaN和SiC，是新興的半導(dǎo)體，將為數(shù)據(jù)中心等要求苛刻的應(yīng)用中的電力電子建立新的軌跡。它們的優(yōu)點包括提高系統(tǒng)效率、降低冷卻系統(tǒng)要求、在更高溫度下運行和提高功率密度。通過將GaN和SiC功率器件集成到電壓轉(zhuǎn)換器和電源中，數(shù)據(jù)中心運營商正在實現(xiàn)提高效率，最大化占地面積并降低整個設(shè)施運營成本的目標(biāo)。