寬能隙半導體提高資料中心的效率

全球的數位化、連接性、虛擬化程度不斷增加，資料中心在其中扮演重要且關鍵的角色。資料中心有極高能源需求，需要能減少功率損耗、提高效率和強化熱控制的電源解決方案。

近期由於網際網路使用者持續增加、行動裝置和社交網路更普及，以及在雲端遠端儲存資訊，網際網路的流量大幅成長。分析人士認為流量還在增加，尚未完全飽和。

對於成長的相關預測提出了裝置效率和電力消耗的問題，刺激新的節能功率轉換技術的發展，例如寬能隙 (WBG) 功率元件提供的技術。

效率至上

資料中心是實體基礎設施，納入網路電腦伺服器結構，可進行電子處理、儲存，以及分配資料。資料中心的關鍵組件是伺服器。伺服器是一種儲存資料的裝置，可支援網際網路、雲端運算和企業內部網路。

建立、處理、儲存的數位資料量不斷增加，能源需求也隨之上升。資料中心需為機架、資料儲存、網路單元供電，還需要輔助散熱和通風裝置，以移除在資料處理和電能轉換過程中產生的熱量。

資料中心電源轉換系統的典型結構包括多個 AC/DC、DC/AC、DC/DC 電壓轉換器，資料中心的整體效率取決於這些轉換器。轉換器可為進行資料處理和儲存的裝置供電，若降低其損耗，可達到兩個主要優勢。第一，無需供給會被轉化為熱能的能量；第二，減少處理廢熱所需的能量。

資料中心效率通常使用電能使用效率 (PUE) 指標來衡量。PUE 由 The Green Grid 開發，是比較資料中心能量使用的標準方法，定義為資料中心總能量使用與資訊科技 (IT) 裝置能量使用的比率。

PUE 是基本的統計資料，可以辨識需開發的區域。儘管不是一個完美的指標，也已經成為產業標準。理想情況下，PUE 應該接近 1，這代表資料中心只需支援 IT 需求的電力。但是，根據美國國家可再生能源實驗室 (NREL)2，平均 PUE 約為 1.8。資料中心的 PUE 值範圍很廣，但注重效率的資料中心常可達到 1.2 或更低的 PUE 值。

高 PUE 可能原因如下：

• 「殭屍」(或「休眠」) 伺服器和不斷電系統 (UPS)，這代表裝置啟動但並未完全運作。這包含非刻意閒置裝置，在無能見度或外部通訊的情況下消耗電力
• 低效率備份和散熱策略
• 資料中心較注重可靠性而非效率

為散熱風扇添加變頻器 (VFD) 以及盡量減少伺服器和不斷電系統的數量是降低 PUE 的兩種常用方法。在過去數年，從傳統的 12 V 架構轉換到更高效率的 48 V 解決方案 (圖 1)，明顯降低了功率損耗 (I2R 損耗)，為不斷提升功率要求的處理系統提供更高效率的解決方案。在電源架構中使用 48 V，可讓 I2R 損耗降低 16 倍。這有助於滿足更嚴峻的能源效率要求；在資料中心層級，效率提高百分之一可節省數千瓦。

圖 1：寬能隙半導體提供比矽更好的效能。(圖片來源：Researchgate)

寬能隙半導體在資料中心的優勢

儘管矽 (Si) 技術最著名，但它的能隙小於寬能隙 (WBG) 材料 (如氮化鎵 (GaN) 和碳化矽 (SiC))，這會降低其工作溫度，限制其在較低電壓使用並降低其熱導率。

以更有效的功率元件代替矽 (如寬能隙半導體) 會是更有效率的替代方案。寬能隙半導體，如 GaN 和 SiC，可以克服矽技術的限制，提供高崩潰電壓、高切換頻率、低傳導和切換損耗、更佳散熱和更小的尺寸 (圖 1)。讓電源供應器和電源轉換級達到更高效率。如上所述，在資料中心，效率只要提高一個百分點就可大量節能。

GaN

GaN 是新興的寬能隙材料，其電子能隙 (3.4 eV) 是矽 (1.1 eV) 的三倍。此外，GaN 的電子遷移率是矽的兩倍。GaN 具有極高電子遷移率，因此眾所周知在非常高的切換頻率下可達到無與倫比的效率。

這些特性讓GaN 架構功率元件能以更小的晶片尺寸承受更強的電場。更小的電晶體和更短的電流路徑可達到超低電阻值和電容量，允許高達 100 倍更快的切換速率。

電阻值和電容量降低還可以提高功率轉換效率，為資料中心工作負載提供更多功率。不會產生更多的熱量，也就不需要為資料中心進行更多散熱，因此每瓦可以完成更多的資料中心作業。高速頻率切換還可以縮減儲能被動元件的尺寸和重量，因為每次切換週期儲存更少的能量。GaN 的另一個優勢是能夠支援不同的電源轉換器和電源供應器拓撲。

GaN 與資料中心應用相關的主要特點：

• 支援硬和軟切換拓撲
• 快速啟動和關閉 (GaN 切換波形與理想方波幾乎相同)
• 零逆向復原電荷
• 與矽技術相比：
  • 崩潰電場高 10 倍
  • 遷移率高 2 倍
  • 輸出電荷低 10 倍
  • 閘極電荷和線性 Coss 特性低 10 倍

在解決方案中採用 GaN 功率元件的這些特點，可達到以下優勢：

• 高效率、高功率密度、高切換頻率
• 更小的尺寸和導通電阻
• 輕量
• 幾乎無損耗的切換作業。

圖 2 顯示 GaN 功率元件的典型目標應用。這些高壓無橋圖騰柱 PFC 級和高壓諧振 LLC 級可以滿足伺服器 SMPS 的嚴格要求，在寬負載範圍和高功率密度下達到 99% 以上的平坦效率。

圖 2：用於資料中心伺服器的高效率 GaN 切換式電源供應器 (SMPS) (資料來源：Infineon)

SiC

SiC 功率元件原先在資料中心的首批應用之一是不斷電系統。不斷電系統對於資料中心非常重要，可以防止主電源電壓故障或中斷對其運作造成潛在災難性影響。電源供應器的備援對於確保資料中心的持續運作和可靠性非常重要。最佳化資料中心的功耗效率 (PUE) 是每位企業家和營運管理人員的首要任務。

資料中心需要可靠、恆定的電源。經常會採用電壓和頻率獨立 (VFI) 不斷電系統系統達到此需求。AC/DC 轉換器 (整流器)、DC/AC 轉換器 (逆變器) 和 DC 鏈路構成 VFI 不斷電系統。旁路開關 (主要在維護期間使用)，將不斷電系統輸出直接連接到輸入端的交流電源。如果主電源崩潰，電池 (通常由多芯組成) 會連接到降壓或升壓轉換器並為電源供應器供電。

由於輸入端的交流電壓會轉換為直流電壓，然後再次轉換為精準的正弦輸出電壓，因此這些裝置通常是雙轉換電路。這能消除任何電源電壓變化，讓不斷電系統為負載提供穩定且乾淨的訊號。電壓轉換過程除了可將系統與電源隔離，還可以保護負載免受電壓波動影響。

近期以三級切換拓撲結構的絕緣閘雙極電晶體 (IGBT) 的效率最高。這種方法的效率可達 96%，是對早期變壓器架構模型的大幅改進。

碳化矽電晶體可明顯降低 (超過 70%) 功率損耗並提高雙轉換不斷電系統的效率。這種卓越的效率 (超過 98%) 在低負載和高負載情況下仍可達到，

這是由於碳化矽的固有特性。與 MOSFET 和 IGBT 等傳統矽基元件相比，SiC 可以在更高的溫度、頻率和電壓下工作。

SiC 架構不斷電系統的另一項優勢是具備更佳熱損耗值 (或排熱)，可以在更高的溫度下運作。此特點讓設計人員能夠採用更緊湊、更實惠的散熱解決方案。整體而言，SiC 架構不斷電系統比矽基組件的等效模型更高效率、更輕、更小。

由於其固有特性，SiC 架構半導體可以在比傳統 Si 半導體更高的溫度下運作。此不斷電系統具有較低的熱損耗並可在較高溫度下運作，因此可以降低客戶的散熱成本。

要讓資料中心可用佔地面積最大化，相較於傳統 Si 架構不斷電系統，SiC 架構不斷電系統可以減輕重量和尺寸。此外，SiC 架構不斷電系統較少的佔地面積，可增加同等區域的可用電力。

結論

GaN 和 SiC 等寬能隙材料是新興半導體，將在資料中心等高要求應用中為電子供電方式開闢新的發展軌跡。其優勢包括提高系統效率、降低散熱系統要求、在更高溫度下運作，以及更高的功率密度。將 GaN 和 SiC 功率元件整合到電壓轉換器和電源供應器中，資料中心營運商可達到更高效率、最大化佔地面積並降低整個設施的營運成本。