2014年，數據中心（設在美國）所消耗的能量約為1000億千瓦時（kWh），而國家科學研究開發公司（NRDC）預計到2020年，數據中心電力消費量每年將增至約1400億千瓦時，相當于50個發電站的年產量。

 

支持這一快速增長需求所需電力來自我們的電網，并經過多次轉換階段，然后其才真正地將剩余能量饋進數字半導體芯片。圖1所示為這一“旅程”的圖解。該圖中還顯示由傳輸和電力轉換造成的損失 – 從發電廠到所有工作的計算機芯片。

 

將這些效能數字相乘顯示，電網需要提供150瓦功率以滿足可能僅需要100瓦的數字芯片的需求。因此，在整個美國，由于服務器用電源轉換造成的總浪費電量為330億千瓦時，這幾乎相當于十幾個發電廠產出的電量。但是，服務器場中浪費的總電量更多，因為通過電源轉換的每瓦功率損耗實際上是被轉換成熱能的能量，而除去該熱能需要更多功率。

 

圖1：現代服務器場中使用的典型多級功率變換結構，它從電網中汲取150瓦的功率，為服務器中使用的數字處理器提供100瓦的電能。

 

然而，電網已經存在了一個多世紀，基于二戰后開發的半導體技術已構建轉換的各個階段。這些半導體基于硅晶體，正是硅的性能和局限性形成了圖1所示架構。

 

在本文中，我們將演示基于增強型氮化鎵（eGaN®技術）的電源轉換器的優點，其現有數據中心和集中于低至1V_DC負載電壓的48 V_DC輸入電壓所用的電信架構解決方案。我們將探討高性能GaN功率晶體管的能力，以使用新方法以更高效率和更高功率密度為功率數據中心和電信系統提供電源。此方法在效率和功率密度方面都比先前的基于Si MOSFET的架構更高。

 

從48 V_IN– 1 V_OUT直接獲取

 

自采用12 V中間總線架構（IBA）以來，此總線轉換器在輸出功率中正接近數量級的提高。在型電源模塊足跡中，現行設計從約100W增至約1千瓦。這意味著至POL轉換器的12V總線上的電流量以10的系數增加，而且不用降低總線電阻，隨后的總線傳導損耗中會以2的數量級增加。相比傳統的IBA系統中的硅基解決方案，GaN基技術的解決方案已證明其效率顯著提高。

 

然而，隨著48 V_IN總線轉換器的轉換損耗不斷增加，主板上不斷攀升的12V總線損及GaN技術更高的性能，現可考慮不同的體系結構，如使用非隔離型POL轉換器從48 V_IN直接進入負載，如圖2底部所示。

 

圖2：中間總線架構（IBA）和直接轉換DC總線結構。

 

傳統型降壓轉換器可作為第一種方法來評估將48 V_IN直接轉換為1 V_OUT。降壓轉換器的拓撲結構最簡單，而且是絕大多數現有12 V_IN系統采用的做法。對于48 V輸入，在EPC9041演示板中嵌入的80V eGaN單片式半橋集成電路（EPC2105）可選定用于具有更高降壓比的應用。TI采用的第二種方法是將48 V_IN直接轉換到1 V_OUT，其采用基于變壓器的設計來提高轉換器效率。一個基于LMG5200 GaN的半橋被用于48 V_IN輸入側，而四個30 V EPC2023 eGaN FET被用于低電壓輸出側。

 

兩種48 V_IN至1 V_OUT設計的高效率和功率密度如圖3所示。降壓轉換器的效率是整個動力傳動系的效率，包括電感器（Würth Elektronik 744 301 033）、電容器和印刷電路板損失。在300kHz的開關頻率條件下，可實現84％的最高效率，而在20 A條件下，實現的效率約為83.5％。降壓構件（不包括控制器）的功率密度約為300 W/in3。對于600 kHz條件下操作的基于變壓器的方法，可實現超過90％的效率，而在50 A輸出電流條件下，可實現近88％的效率。對于基于變壓器的構件（不包括控制器），功率密度為約80 W/in3。

 

圖3：基于eGaN POL轉換器的效率和功率密度，V_IN = 48 V至V_OUT = 1V。

 

使用圖4所示的基于GaN技術的最佳設計，對比單級48 V_IN至1 V_OUT的POL轉換器和傳統兩級IBA法的預計效率和功率密度，并在表1總結（硅基解決方案遠不及這些基于GaN技術的解決方案有效）。基于GaN集成電路的IBA電源轉換器比基于降壓的方法的48 V_IN?1 V_OUT直接轉換預計會有1.5％的效率提升。然而，當12V總線的損失增加約2%時，總體系統效率極其相似。傳統IBA法和48 V_IN直接轉換基于降壓的方法也有類似的功率密度。對于48 V_IN基于變壓器的方法，系統效率比傳統IBA法高出7％，該系統具有低功率密度，比常規IBA基于GaN的方法低約三分之一。

 

DC總線架構還具有潛在的成本優勢，因為IBC的成本可省去。而48 V_IN POL轉換器與12 V_IN POL轉換器相比，增加的成本將降至最低，因為它們使用的電源裝置、控制器和驅動程序的數量類似。

 

圖4：基于GaN技術的48 V_IN中間總線架構和48 V_IN DC總線架構的性能對比

 

(a) 縮放到500瓦的輸出功率。

 

表1：48 V_IN中間總線架構和48 V_IN DC總線架構的性能對比總結

 

圖5中，我們在基于eGaN FET和集成電路的設計中應用單級效率的同時需要重新查看圖1內容。通過省去服務器場電源架構末級所獲得的直接節省電能不僅降低了成本，而且還降低7%到15%不等的功耗，這取決于基于GaN的方法。與硅基解決方案對比時，這關聯到每年直接節約的多達210億千瓦時的電能。當服務器場中的空調能源成本增加時，還可節約更多電能，僅在美國可將總節約電能降至服務器所耗1400億千瓦時的近25％。

 

結論

 

當今美國服務器場中可能的節省電能所造成的影響甚至比后硅世界中eGaN技術的影響更大，而此影響的一個示例是這一新興技術可有效使用電力。eGaN技術為更高性能的半導體提供了一個途徑，重新開啟了推動創新的摩爾定律的可能性——就像摩爾定律超出常規一樣。例如，eGaN技術實現了許多新應用，如無線電力傳輸、5G蜂窩技術、自主車輛和結腸鏡檢查丸劑。而且，隨著電子行業在固有屬性中獲得的高性能功能能力的經驗和知識，由此產生的高性能eGaN半導體設備將實現很多不可預見的應用，就像二戰后時代帶來的此應用的前身——硅。

 

eGaN®FET是Efficient Power Conversion公司的注冊商標。

 

一般參考

 

[1] D. REUSCH和J.Glaser，DC-DC轉換器手冊，電源轉換出版物，2015年，ISBN 978-0-9966492-0-9

 

 

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