作者：Rolf Horn

　　數據中心在日益數字化、互聯和虛擬化的世界中發揮著至關重要的作用。由于數據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，由于用戶數量增加、移動設備和社交網絡的廣泛使用以及云中信息的遠程存儲，互聯網上的流量大幅增長。據分析人士稱，這種流量的增長仍然需要達到完全飽和。

　　這些增長預測提出了有關設備效率和電力消耗的問題，這刺激了新型節能功率轉換技術的發展，例如寬帶隙(WBG)功率器件提供的技術。

　　效率至上

　　除了物理基礎結構之外，數據中心還是一種容納網絡計算機服務器的結構，用于數據的電子處理、存儲和分發。數據中心的關鍵組件是服務器，這是一種存儲為 Internet、云計算和企業內部網提供支持的數據的設備。

　　由于創建、處理和存儲的數字數據量不斷增加，能源需求正在上升。除了為機架、數據存儲和網絡單元供電外，數據中心還需要輔助冷卻和通風設備，以消除數據處理和電力轉換過程中產生的熱量。

　　數據中心中使用的電源轉換系統的典型結構包括多個 AC/DC、DC/AC 和 DC/DC 電壓轉換器，整個數據中心的效率嚴格依賴于這些轉換器。降低為數據處理和存儲設備供電的轉換器的損耗有兩個主要好處。首先，不需要提供未轉化為熱量的能量;其次，減少了處理廢熱所需的能量。

　　數據中心效率通常使用電源使用效率 (PUE) 指標來衡量。PUE 由 The Green Grid 開發，作為比較數據中心能源使用的標準方法，PUE 定義為數據中心能源使用與信息技術 (IT) 設備能源使用的總體比率。

　　PUE度量是一個足夠基本的統計數據，可以確定需要發展的領域。盡管不是一個完美的指標，但它已成為行業標準。理想情況下，PUE 應接近統一，這意味著數據中心只需要電力來支持其 IT 需求。然而，根據國家可再生能源實驗室(NREL)2的數據，平均PUE約為1.8。數據中心的 PUE 值范圍很廣，但以效率為中心的數據中心通常達到 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”)服務器和不間斷電源(UPS)，這意味著設備已打開但未充分利用。它包括無意中閑置的設備，這些設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

　　數據中心更關注可靠性而不是效率

　　向冷卻風扇添加變頻驅動器 (VFD) 并最大限度地減少服務器和 UPS 的數量是降低 PUE 的兩種常用方法。在過去幾年中，從傳統的12 V架構過渡到更高效的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提供了更高效的解決方案。在電源架構中使用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據中心級別節省千瓦。

　　圖 1：WBG 半導體提供比硅更好的性能。(圖片來源：研究門)

　　世界銀行集團半導體在數據中心的優勢

　　雖然硅(Si)是最知名的技術，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熱性。

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

　　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超低電阻和電容，使開關速率提高多達 100 倍。

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

　　GaN與數據中心應用相關的主要功能如下：

　　支持硬開關和軟交換拓撲

　　快速導通和關斷(GaN開關波形幾乎與理想方波相同)

　　零反向恢復費用

　　與硅技術相比：

　　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功率器件能夠實現以下目標的解決方案：

　　高效率、功率密度和開關頻率

　　減小外形尺寸和導通電阻

　　重量輕

　　幾乎無損的開關操作。

　　GaN功率器件的典型目標應用如圖2所示。這些高壓無橋圖騰柱PFC級和高壓諧振LLC級可以滿足服務器SMPS的嚴格要求，在寬負載范圍和高功率密度下實現99%以上的平坦效率。

　　圖2：用于數據中心服務器的高效氮化鎵開關模式電源(SMPS)(來源：英飛凌)

　　原文如此

　　從歷史上看，最早的應用之一 碳化硅功率器件 在數據中心認為UPS設備。UPS對于數據中心防止電源電壓故障或中斷對其運營的潛在災難性影響至關重要。電源冗余對于確保數據中心的運營連續性和可靠性至關重要。優化數據中心的功耗效率 (PUE) 是每個企業家和運營管理的首要任務。

　　數據中心需要可靠、恒定的電源。電壓和頻率無關(VFI)UPS系統經常被用來滿足這一要求。AC/DC 轉換器(整流器)、DC/AC 轉換器(逆變器)和 DC 母線組成 VFI UPS 設備。旁路開關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換器并為電源供電。

　　由于輸入端的交流電壓被轉換為直流電壓，然后再次轉換為精確的正弦輸出電壓，因此這些器件通常是雙轉換電路。結果消除了任何電源電壓變化，使UPS能夠為負載提供穩定和干凈的信號。除了將系統與電源隔離外，電壓轉換過程還可以保護負載免受電壓波動的影響。

　　直到最近，采用三電平開關拓撲的絕緣柵雙極晶體管(IGBT)的效率結果最好。由于這種方法實現了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換UPS系統的效率。這種卓越的效率(超過98%)在低負載和重負載情況下持續存在。

　　由于碳化硅的固有特性，可以獲得這種類型的結果。與傳統的硅基器件(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。此功能使設計人員能夠采用更緊湊、更經濟的冷卻解決方案。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的半導體由于其固有的特性，可以在比傳統Si半導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。

　　當最大化數據中心的可用占地面積時，與傳統的硅基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，增加了給定區域的可用功率容量。

　　結論

　　總之，WBG材料，如GaN和SiC，是新興的半導體，將為數據中心等要求苛刻的應用中的電力電子建立新的軌跡。它們的優點包括提高系統效率、降低冷卻系統要求、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換器和電源中，數據中心運營商正在實現提高效率，最大化占地面積并降低整個設施運營成本的目標。