Halvledare med brett bandgap ökar effektiviteten i datacenter

Datacenter spelar en avgörande och viktig roll i den alltmer digitala, uppkopplade och virtualiserade världen. Eftersom datacenter har ett enormt energibehov krävs kraftlösningar som kan minska energiförlusterna, öka effektiviteten och förbättra värmestyrningen.

Trafiken på internet har ökat avsevärt på senare tid på grund av ett större antal användare, den utbredda användningen av mobila enheter och sociala nätverk samt fjärrlagring av information i molnet. Enligt analytiker har tillväxten av denna trafik ännu inte nått full mättnad.

Dessa tillväxtprognoser väcker frågor om utrustningens verkningsgrad och elförbrukning, vilket driver på utvecklingen av ny energieffektiv kraftomvandlingsteknik som den som erbjuds av kraftkomponenter med brett bandgap (WBG).

Verkningsgrad är av största vikt

Förutom den fysiska infrastrukturen är ett datacenter en struktur som rymmer nätverksservrar för elektronisk behandling, lagring och distribution av data. Den viktigaste komponenten i ett datacenter är servern, en enhet som lagrar data som driver internet, molntjänster och företags intranät.

Energibehovet ökar på grund av den växande mängden digitala data som skapas, bearbetas och lagras. Förutom att driva stativ, datalagring och nätverksenheter behöver datacenter även extra kyl- och ventilationsutrustning för att avlägsna den värme som produceras vid databehandlingen och omvandlingen av elkraft.

Den typiska strukturen för det kraftomvandlingssystem som används i ett datacenter består av flera AC/DC-, DC/AC- och DC/DC-spänningsomvandlare, som hela datacentrets effektivitet är starkt beroende av. Det finns två viktiga fördelar med att minska förlusterna i de omvandlare som driver databehandlings- och lagringsenheterna. För det första behöver man inte leverera den energi som inte omvandlas till värme, och för det andra minskar den energi som krävs för att ta hand om spillvärmen.

Datacentrets effektivitet mäts ofta med måttet PUE (energiförbrukningseffektivitet). PUE har utvecklats av The Green Grid som ett standardiserat sätt att jämföra energianvändningen i datacenter och definieras som den totala energianvändningen i datacentret i förhållande till energianvändningen för IT-utrustning.

PUE-måttet är en tillräckligt grundläggande statistik för att identifiera områden som behöver utvecklas. Trots att det inte är ett perfekt sätt att mäta har det blivit branschstandard. PUE bör helst vara nära en enhet, vilket innebär att datacentret endast behöver el för att stödja IT-behovet. Enligt National Renewable Energy Laboratory (NREL)2 ligger den genomsnittliga PUE-nivån dock på cirka 1,8. Datacentrens PUE-värden varierar kraftigt, men datacenter fokuserade på verkningsgrad uppnår ofta PUE-värden på 1,2 eller mindre.

Ett högt PUE-värde kan ha olika orsaker, som exempelvis följande:

• "Zombie"-servrar (eller "koma"-servrar) och UPS-enheter (avbrottsfri kraft), dvs. utrustning som är påslagen men som inte används fullt ut. Det omfattar oavsiktligt inaktiva enheter som förbrukar el utan att vara synliga eller ha extern kommunikation.
• Ineffektiva strategier för säkerhetskopiering och kylning
• Datacenter är mer inriktade på tillförlitlighet än på verkningsgrad

Två vanliga metoder för att sänka PUE är att lägga till drivenheter med variabel frekvens (VFD) för kylfläktarna och minimera antalet servrar och UPS-enheter. Under de senaste åren har övergången från de gamla 12 V-arkitekturerna till effektivare 48 V-lösningar (se figur 1) lett till att betydande energiförluster (I2R-förluster) har minskat, vilket ger effektivare lösningar för allt mer energikrävande bearbetningssystem. Att använda 48 V i kraftarkitekturen ger sexton gånger lägre I2R-förluster. Detta bidrar till att uppfylla de ständigt ökande kraven på verkningsgrad, med tanke på att en förbättring av verkningsgraden med en procent kan spara kilowatt i hela datacentret.

Figur 1: halvledare med brett bandgap har bättre prestanda än kisel. (Bildkälla: Researchgate)

Fördelar med halvledare med brett bandgap i datacenter

Även om kisel (Si) är den mest välkända tekniken har det ett mindre bandgap än material med brett bandgap (WBG), som galliumnitrid (GaN) och kiselkarbid (SiC), vilket sänker driftstemperaturen, begränsar användningen till lägre spänningar och minskar dess värmeledningsförmåga.

Ett effektivare alternativ kan vara att använda effektivare kraftanordningar, t.ex. halvledare med brett bandgap istället för kisel. Halvledare med brett bandgap, som GaN och SiC, gör det möjligt att övervinna gränserna för kiseltekniken genom att tillhandahålla höga genombrottsspänningar, höga switchningsfrekvenser, låga lednings- och switchningsförluster, bättre värmeavledning och mindre format (se figur 1). Detta leder till högre verkningsgrad i strömförsörjnings- och kraftomvandlingsstegen. Som tidigare nämnts kan en ökning av verkningsgraden med bara en enda procentenhet i ett datacenter leda till betydande energibesparingar.

GaN

GaN är en ny klass av material med brett bandgap eftersom det har ett elektronbandgap som är tre gånger större (3,4 eV) än kisel (1,1 eV). GaN har dessutom dubbelt så hög elektronrörlighet som kisel. Galliumnitridens välkända och oöverträffade effektivitet vid mycket höga switchingsfrekvenser möjliggörs av dess enorma elektronrörlighet.

Dessa egenskaper gör det möjligt för GaN-baserade kraftaggregat att tåla starkare elektriska fält i en mindre storlek. Mindre transistorer och kortare strömvägar ger extremt lågt motstånd och kapacitet, vilket möjliggör upp till 100 gånger snabbare switchningshastigheter.

Minskad resistans och kapacitans ökar även effektiviteten i kraftomvandlingen, vilket ger mer kraft för arbetsbelastningar i datacenter. Istället för att producera mer värme, vilket skulle kräva mer kylning av datacentret, kan fler datacenteroperationer utföras per watt. Switchning med hög frekvens minskar även storleken och vikten på de energilagrande passiva komponenterna eftersom respektive switchningscykel lagrar betydligt mindre energi. En annan fördel med GaN är dess förmåga att stödja olika kraftomvandlare och strömförsörjningstopologier.

Galliumnitridens viktigaste egenskaper som är relevanta för datacentertillämpningar är följande:

• Stöd för hårda och mjuka switchningstopologier
• Snabb på- och avstängning (vågformen för switchning med GaN är nästan identisk med den perfekta fyrkantsvågen).
• Noll återhämtningsladdning
• Jämfört med kiselteknik:
  • 10x högre genombrottsfält
  • 2x högre rörlighet
  • 10x lägre utgångsladdning
  • 10x lägre grindladdning och linjär Coss-karaktäristik

Dessa egenskaper gör det möjligt att tillverka GaN-enheter som kan åstadkomma:

• Hög verkningsgrad, effekttäthet och höga switchningsfrekvenser
• Minskad formfaktor och på-resistans
• Låg vikt
• Nästan förlustfri switchning.

En typisk måltillämpning för GaN-enheter visas i figur 2. Dessa PFC-steg för hög spänning utan bryggor och resonanta LLC-steg för hög spänning kan uppfylla de strikta kraven för server-SMPS och uppnå en platt verkningsgrad på över 99 % i ett brett belastningsområde och med hög effekttäthet.

Figur 2: Högeffektivt GaN-nätaggregat (SMPS) för servrar i datacenter (källa: Infineon)

Kiselkarbid (SiC)

Historiskt sett har en av de första tillämpningarna av SiC-kraftenheter i datacenter betraktats som UPS-utrustning. UPS är viktigt för datacenter för att förhindra de potentiellt katastrofala effekterna av ett strömavbrott eller avbrott i verksamheten. Redundans i strömförsörjningen är avgörande för att säkerställa kontinuerlig drift och tillförlitlighet i ett datacenter. Att optimera datacentrets energiförbrukningseffektivitet (PUE) är en av de viktigaste prioriteringarna för alla företagare och verksamhetsledare.

En tillförlitlig, konstant strömkälla är nödvändig i ett datacenter. Spännings- och frekvensoberoende (VFI) UPS-system används ofta för att uppfylla detta krav. En AC/DC-omvandlare (likriktare), en DC/AC-omvandlare (växelriktare) och en DC-länk utgör en VFI UPS-enhet. En omkopplare för förbikoppling, som främst används vid underhåll, ansluter UPS-utgången direkt till växelströmskällan vid ingången. I händelse av ett strömavbrott ansluts batteriet, som vanligtvis består av många celler, till en buck- eller boostomvandlare och driver nätaggregatet.

Eftersom växelspänningen på inspänningen omvandlas till likspänning och sedan tillbaka till en exakt sinusformad utspänning, består dessa apparater vanligtvis av dubbelomvandlande kretsar. Resultatet eliminerar alla variationer i matningsspänningen, vilket gör det möjligt för UPS:en att förse lasten med en jämn och ren signal. Förutom att isolera systemet från strömkällan skyddar spänningsomvandlingsprocessen lasten från spänningsvariationer.

Fram till nyligen har bipolära transistorer med isolerad grind (IGBT) med tre nivåer av switchningstopologier haft de bästa resultaten för verkningsgrad. Tack vare detta tillvägagångssätt uppnåddes en verkningsgrad på 96 %, vilket är en betydande förbättring jämfört med tidigare transformatorbaserade modeller.

Transistorer av kiselkarbid har gjort det möjligt att minska energiförlusterna avsevärt (> 70 %) och öka verkningsgraden i UPS-system med dubbelomvandling. Denna anmärkningsvärda verkningsgrad (över 98 %) kvarstår både vid låg och hög belastning.

Resultat av denna typ kan uppnås tack vare kiselkarbidens inneboende egenskaper. Jämfört med traditionella kiselbaserade enheter som MOSFET:ar och IGBT:er kan kiselkarbid arbeta vid högre temperaturer, frekvenser och spänningar.

En ytterligare fördel med kiselkarbidbaserade UPS:er är ett bättre värmeförlustvärde (eller värmeavledning), vilket gör det möjligt att använda dem vid högre temperaturer. Denna funktion gör det möjligt för konstruktörer att använda mer kompakta och ekonomiska kylningslösningar. Sammantaget är en kiselkarbidbaserad UPS effektivare, lättare och mindre än en motsvarande modell med kiselbaserade komponenter.

Kiselkarbidbaserade halvledare kan arbeta vid högre temperaturer än traditionella kiselhalvledare tack vare deras inneboende egenskaper. Kundens kylkostnader kan därmed minskas tack vare UPS:ens lägre värmeförluster och förmåga att arbeta vid högre temperaturer.

När man maximerar det tillgängliga golvutrymmet i ett datacenter är en kiselkarbidbaserad UPS lättare och mindre jämfört med en konventionell kiselbaserad UPS. Dessutom kräver en kiselkarbidbaserad UPS mindre golvyta, vilket ökar den tillgängliga effektkapaciteten i ett givet område.

Sammanfattning

Sammanfattningsvis är material med brett bandgap, så som GaN och SiC, kommande halvledare som kommer att etablera en ny bana för kraftelektronik i krävande tillämpningar som datacenter. Fördelarna är bland annat ökad verkningsgrad i systemet, lägre krav på kylsystem, drift vid högre temperaturer och högre effekttäthet. Genom att integrera GaN- och SiC-enheter i spänningsomvandlare och strömförsörjningar kan datacenteroperatörer uppnå sina mål att uppnå högre verkningsgrad, maximera golvytan och minska driftskostnaderna i hela anläggningen.