Encontrar la tecnología adecuada para resolver el desafío de potencia en el centro de datos
La digitalización y el rápido despliegue de los servicios en la nube han impulsado el crecimiento de los centros de datos a nivel mundial. Los centros de datos consumen cerca del uno por ciento de la electricidad global, una cifra que se espera que siga aumentando. Las tendencias de la industria, como el metaverso y la realidad aumentada y virtual, continuarán demandando más energía de la que el planeta puede producir de manera sostenible. Aunque aumentar la contribución de energía renovable es un paso en la dirección correcta, no es suficiente, y la eficiencia energética es otra área de enfoque que apunta al casi 40 por ciento de los costos operativos de los centros de datos debido al consumo de energía por los servidores y sus sistemas de refrigeración.
Los estándares globales para fuentes de alimentación de centros de datos también continúan evolucionando hacia mayores eficiencias. El Open Compute Project (OCP) 3.0 ofrece una optimización adicional del hardware que reduce el consumo de energía, y los requisitos de certificación 80 Plus Platinum y Titanium, así como el Ecodesign de la UE en Europa (regulaciones ErP Lot 9), continúan evolucionando (Tabla 1). La próxima actualización de Lot 9 ya está programada para enero de 2026.
| Eficiencia | Factor de Potencia | 80 Plus | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Requisito | Salida/Carga | 10% | 20% | 50% | 100% | 10% | 20% | 50% | 100% | 230 V no redundante | 230 V redundante |
| Lote 9 (Marzo 2020) | Múltiple | - | 88% | 92% | 88% | - | - | 0,90 | - | Oro | Oro |
| Individual | - | 90% | 94% | 91% | - | - | 0,95 | - | Platino* | Platino | |
| Lote 9 (Ene. 2023) | Múltiple | - | 90% | 94% | 91% | - | - | 0,95 | - | Platino* | Platino |
| Individual | 90% | 94% | 96% | 91% | - | - | 0,95 | - | Titanio | Titanio |
Tabla 1: Lot 9 y 80plus tienen requisitos similares, con aplicaciones de 80plus titanium que exigen una eficiencia máxima de pfc >98.5%.
A medida que aumenta la potencia de los procesadores y servidores, los centros de datos están usando más potencia por bastidor. Ahora necesitan bloques discretos de 2-4 kW con la tendencia de la industria hacia densidades de potencia aún mayores.i Distribuir esta potencia a los niveles de 12 V de primera generación implica manejar corrientes mucho más altas. Para proporcionar 1 kW a un bastidor de servidor, la arquitectura tradicional de 12 V necesita entregar 83 A de corriente. Para controlar las pérdidas I2R y abordar preocupaciones de seguridad, se necesitaría más cobre en el mazo de cables de dicho sistema.
Una mejora del uno por ciento en la eficiencia puede resultar en un ahorro de kilovatios a nivel de centro de datos, y las arquitecturas de potencia de segunda generación, que utilizan 48 V (Figura 1), resultan en pérdidas de I2R 16 veces menores mientras se mantienen por debajo del límite de Seguridad Extra – Bajo Voltaje (SELV) de 60 V DC del estándar UL-60950-1, más allá del cual se requieren aislamiento adicional, espaciado y pruebas. Para cumplir con los nuevos requisitos de eficiencia energética, el sector de potencia de centro de datos empresarial está adoptando una arquitectura de 48 V.
Los sistemas de racks de Generación 2, diseñados como bloques de potencia discretos de 2-4 kW, reemplazan los masivos Sistemas de Alimentación Ininterrumpida (UPS) de alto voltaje y las Unidades de Distribución de Energía (PDUs) de la Generación 1 con UPS más pequeños por rack que se cargan usando un suministro de 48 V DC. Los suministros AC-DC y DC-DC no solo operan cada placa de servidor, sino que también cargan la batería del UPS. La eliminación del reparto de carga y la redundancia de la Generación 1 conduce a la necesidad de que cada suministro de energía opere cerca de su capacidad total (100%).
Figura 1: Los ahorros de energía globales de las arquitecturas de potencia de la Generación 2 pueden ser equivalentes a 27 plantas nucleares de 1 GW. Fuente: Fred Lee, Power Architecture for the Next Generation of Datacenter.
Desafíos para las PSUs de servidores
Aparte de los desafíos debido a los cambios mencionados anteriormente, es importante destacar que las unidades de suministro de energía (PSUs) OCP 3.0, Open Rack V.2 (ORV) y Bitcoin/minería requieren un avance más allá de los 2 kW hacia el rango de 3-4 kW. Los fabricantes de racks continúan solicitando factores de forma pequeños y perfiles bajos de 40 mm (altura), alta densidad de potencia, gestión térmica efectiva y económica, y diseño EMI para manejar el cambio de alta velocidad que reduce el tamaño de los componentes magnéticos. Además, existe la necesidad de control digital completo y flexibilidad de diseño mediante el uso de MOSFET de potencia montados en una tarjeta hija.
Al considerar las tecnologías de dispositivos semiconductores para resolver estos desafíos, se deben observar diferencias en términos de banda prohibida, ruptura eléctrica crítica, movilidad de electrones y conductividad térmica, todas las cuales afectan la temperatura máxima de operación, el voltaje, la eficiencia y los requisitos de gestión térmica del sistema.
La solución de semiconductores
Aunque el silicio (Si) es la tecnología más conocida, su pequeña banda prohibida limita la temperatura de operación, su bajo campo eléctrico de ruptura restringe su uso a voltajes más bajos y su baja conductividad térmica limita la densidad de potencia en comparación con los materiales de banda ancha, como el nitruro de galio (GaN) y el carburo de silicio (SiC).
Para las eficiencias necesarias en las fuentes de alimentación de centros de datos, es importante comparar las pérdidas por conmutación y conducción. La pérdida por conducción, que es la pérdida I2R del dispositivo, es menor cuando la resistencia de conducción drenador-a-fuente (RDS(ON)) es baja y varía menos con la temperatura.
Figura 2 muestra RDS(ON) normalizado graficado contra la temperatura para las tecnologías que muchos diseñadores consideran usar para cumplir con los requisitos de PSU de centros de datos de segunda generación: SiC, GaN y Si Super Junction (SJ). Es interesante notar que tanto los dispositivos GaN como SJ cuentan con un RDS(ON) más bajo por debajo de 25°C, temperaturas que no son del todo prácticas para fuentes de alimentación de centros de datos. Dado que las fichas técnicas de los dispositivos GaN y SJ suelen especificar RDS(ON) a 25°C, esto puede llevar a los ingenieros a asumir dicha especificación en temperaturas de funcionamiento mucho más altas para las cuales normalmente se diseñan los sistemas.
Figura 2: Un gráfico genérico que muestra el cambio típico de RDS(ON) (normalizado) de MOSFET con la temperatura.
Otra característica interesante a tener en cuenta en Figura 2 es el cambio en RDS(ON) con la temperatura. La curva de SiC permanece prácticamente plana, y aunque las otras tecnologías muestran un aumento significativo en RDS(ON), este cambio es particularmente dramático para GaN. Dado que los diseñadores deben utilizar RDS(ON) en temperaturas de unión reales de 120°C a 140°C, un dispositivo SiC de 60 mΩ estaría “caliente” a 80 mΩ, mientras que un dispositivo Si SJ o GaN de 40 mΩ realmente estaría significativamente >80 mΩ caliente.
La baja pérdida de conmutación de GaN ≠ baja pérdida total
La alta movilidad de los electrones de GaN es la propiedad que permite su conocida y inigualable eficiencia a frecuencias de conmutación muy altas. Entre las tecnologías discutidas aquí, GaN ofrece la menor pérdida de conmutación (Figura 3).
Figura 3: Un estudio que compara un dispositivo de carburo de silicio de Wolfspeed de 60 mΩ con un dispositivo de GaN de 50 mΩ en una simulación de pfc de poste de tótem. Pérdida de potencia vs potencia de salida a la izquierda, circuito a la derecha.
Wolfspeed comparó su dispositivo SiC de 60-mΩ con un dispositivo GaN de 50-mΩ en una simulación de PFC en configuración totem pole y descubrió que, aunque GaN tenía pérdidas de conmutación ligeramente más bajas en todo el rango de potencia, cualquier ganancia se veía compensada por las mayores pérdidas de conducción con la potencia y, en consecuencia, el aumento de la temperatura de la unión. Esto requiere que los dispositivos GaN sean de mayor tamaño para compensar las mayores pérdidas de conducción independientemente de la frecuencia de conmutación.
Las pruebas de GaN tuvieron que detenerse a 3 kW debido a limitaciones de potencia del dispositivo. El estudio demostró claramente que el SiC resulta en pérdidas totales significativamente más bajas, especialmente en los niveles de alta potencia en los que el uso de semiconductores de banda ancha es más convincente, como en los centros de datos. Las diversas especificaciones de rendimiento a nivel de dispositivo de las tres tecnologías de semiconductores se comparan en el gráfico de radar en Figura 4.
Figura 4: El Carburo de Silicio destaca en aplicaciones de alto voltaje, alta potencia y alta temperatura, como fuentes de alimentación para centros de datos.
A primera vista, notamos que los beneficios del GaN son la menor carga de recuperación inversa Qrr para la menor pérdida de conmutación en modo de conducción continua (CCM) rectificador sincronizado, la menor capacitancia de salida relacionada con el tiempo Coss(tr) para un tiempo muerto reducido, y alta frecuencia y eficiencia, y la menor capacitancia de salida relacionada con la energía Coss(er) para la mínima pérdida de conmutación en topologías con conmutación dura. Observe que el SiC sigue de cerca al GaN en estos atributos, mientras que el Si queda significativamente rezagado.
Las ventajas del silicio incluyen la menor resistencia térmica de unión a carcasa Rthjc, lo que proporciona un mejor rendimiento térmico, y el voltaje de umbral más alto Vth, que ofrece mejor inmunidad al ruido y facilita el manejo de los dispositivos de Si. Cabe señalar que el GaN tiene un Vth extremadamente bajo.
El máximo de la unión Tj_max y la energía de avalancha, un solo pulso Eas, indican la robustez del dispositivo. SiC es el más robusto como se muestra, mientras que GaN no tiene capacidad de Eas. SiC también tiene el cambio más bajo de RDS(ON) con respecto a la temperatura, lo que resulta en una baja pérdida de conducción a altas temperaturas. Aquí es donde GaN se queda considerablemente atrás, deshaciendo todos los beneficios de la baja pérdida de conmutación.
En conjunto, las fortalezas del SiC ayudan a ofrecer la mayor eficiencia en niveles de potencia más altos, así como las altas densidades de potencia requeridas para centros de datos empresariales y aplicaciones igualmente exigentes.
El punto de vista del paquete
Desde que Wolfspeed desarrolló la tecnología SiC para una transición exitosa desde Si, muchos de los paquetes comunes de montaje en superficie y de orificio pasante están disponibles para productos SiC. GaN, por otro lado, enfrenta desafíos únicos hacia la estandarización de paquetes.
Por ejemplo, el empaquetado con orificios pasantes de GaN es poco común porque los productos necesitan tener parasíticos más bajos y permitir conmutación de muy alta frecuencia para aprovechar al máximo las fortalezas del material. GaN se ofrece comúnmente en paquetes grandes de QFN o paquetes personalizados. Los QFN grandes adolecen de problemas de fiabilidad a nivel de placa y los paquetes personalizados carecen de disponibilidad multisource, así como de capacidad de herramientas en los subcontratistas.
Los desafíos de los paquetes de dispositivos de potencia GaN no terminan aquí. Otras preocupaciones comunes incluyen:
- Los pines de fuente Kelvin, ampliamente adoptados en SiC para un mejor control de conmutación, no son viables en cascode GaN ya que otros parámetros internos como el FET cascode y las capacitancias no se consideran. La fuente común no puede eliminarse y el cascode GaN está limitado al paquete TO-247-3 (de tres pines) en el que la vulnerabilidad a la oscilación de puerta limita las velocidades de conmutación.
- Algunos paquetes personalizados en el mercado son tan delgados que limitan el espacio disponible para un disipador de calor.
- Otro paquete personalizado en el mercado tiene un drenaje refrigerado por el lado superior, lo que requiere materiales de interfaz térmica (TIMs) con alta conductividad térmica para extraer el calor del dispositivo.
- Otro paquete TO-Leadless (TOLL) para GaN coloca la puerta y la fuente Kelvin en una dirección diferente a la del estándar Si, lo que hace que la transición desde esta última tecnología sea complicada.
Figura 5: El paquete TOLL de Wolfspeed es significativamente más pequeño que el estándar TO-263 y permite el montaje de superficie de bajo costo.
A medida que el mercado avanza hacia diseños de alta densidad de potencia y restricciones de espacio más estrictas, el paquete TO-Leadless (TOLL) ofrece ventajas como su baja altura y menor área ocupada, y su forma sin pines resulta en bajas inductancias de pines que de otro modo serían una preocupación en operaciones de alta frecuencia. El área más grande de la pestaña de drenaje del paquete aborda las preocupaciones de rendimiento térmico de paquetes pequeños.
TOLL es un paquete relativamente nuevo para el mercado de suministro de energía en centros de datos y servidores. Wolfspeed, sin embargo, está apoyando ese mercado con el desarrollo de productos en esta dirección, como con nuevas variantes de paquetes TOLL para centros de datos y alimentación de servidores.
Una comparación a nivel de sistema
En comparación con el puente en H basado en Si, el PFC de polo tótem CCM basado en SiC puede ofrecer no solo mayor eficiencia, sino también una mayor densidad de potencia a un costo similar o inferior.ii Una comparación de eficiencia entre tecnologías muestra claramente que, aunque tanto los PFC de polo tótem CCM basados en SiC como en GaN pueden alcanzar una eficiencia >99%, GaN tiene la ventaja de eficiencia solo en cargas muy ligeras. Como se discutió anteriormente, el cambio mucho mayor de RDS(ON) de GaN sobre la temperatura (Figura 2) resulta en una curva de eficiencia que disminuye significativamente a mayores potencias/cargas. En aplicaciones como centros de datos, que operan a o cerca de la carga completa 24/7, GaN no cumple con los requerimientos de eficiencia.
SiC, por otro lado, proporciona una eficiencia similar a la de GaN a media carga y mejor eficiencia a carga completa (Figura 6).
Figura 6: El Carburo de Silicio es la mejor opción en un PFC de poste totémico, especialmente para aplicaciones de alta fiabilidad.
Al observar de manera más amplia para incluir la densidad de potencia, el número de componentes y el costo relativo de CCM basado en SiC y GaN del totem pole PFC (Tabla 2), se observa que SiC es mejor que GaN no solo en términos de eficiencia en aplicaciones de alta densidad de potencia, sino también en términos de la complejidad del controlador de puerta, el control y el costo.
| # Estrangulador PFC | # Semiconductores de potencia | Densidad de potencia | Eficiencia máxima | Costo | # Accionamiento de compuerta | # Accionamiento de compuerta | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| SiC CCM Totem Pole Semi-BL PFC | 1 | 4 | Más alta | 98.8% | Medio | 2 | 2 |
| SiC CCM Totem Pole bridgeless PFC | 1 | 4 | Más alta | 99.1% | Alta | 3 | 3 |
| GaN CCM Totem Pole Semi-BL PFC | 1 | 4 | Más alta | 98.8% | Alta | 2 | 3 |
| GaN CCM Totem Pole bridgeless PFC | 1 | 4 | Más alta | 99.2% | Más alta | 3 | 4 |
| GaN CRM Totem Pole bridgeless PFC | 2 | 6 | Media | 99.1% | Más alta | 4 | 5 |
Tabla 2: Análisis de topología y componentes de PFCs sin puente basados en carburo de silicio y GaN.
En otra comparación de diseños demostrativos de banda ancha reales de varias empresas, Wolfspeed SiC muestra claras ventajas (Tabla 3). Algunos puntos clave a tener en cuenta son:
- Muchos de los diseños de referencia existentes requieren una gestión térmica poco práctica y restringen la flexibilidad del diseño.
- Los diseños de totem-pole basados en FET de GaN tienen una menor eficiencia a carga completa debido al alto coeficiente de temperatura de RDS(ON).
- Como se esperaba, el bajo coeficiente de temperatura de RDS(ON) del SiC hace que el diseño de Wolfspeed exhiba una curva de eficiencia casi plana desde media carga hasta carga completa.
- Mientras que SiC y GaN cumplen con los requisitos para PFCs sin puente en el rango de 2-4 kW, las altas pérdidas de conducción hacen que el diseño térmico de GaN sea un desafío más allá de los 4 kW.
- Las frecuencias del sistema de los diseños de referencia están limitadas a los rangos de 45-47 kHz y 60-67 kHz para mantener los armónicos por debajo de los 150 kHz cumpliendo con los requisitos EMI de la CE. Esto anula la ventaja del GaN en cuanto a las bajas pérdidas de conmutación.
| Eficiencia pico | Eficiencia a carga completa | Conmutador HF | Conmutador LF | Altura (mm) | Densidad de potencia (W/in3) | Estándar de eficiencia | Estándar físico | Comentarios | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Company A 2.6kW | 99.14% | 98.7% | GS66516B 32mΩ GaN | IXFH60N65X2 | 40 | 78 | 80+ Titanium/ ErP Lot9 | Ninguno | SMD GaN |
| Company B 2.5kW | 99.2% | 98.5% | IGO60R070D1 70mΩ GaN | IPT65R033G7 | 45 | / | 80+ Titanium/ ErP Lot9 | Ninguno | eGaN, limitado a 2.5kW por 70 mΩ |
| Company B 3kW | 98.9% (50% carga) | 98.5% | IMZA65R048M1H 65mΩ GaN | IPW60R017C7 (SJ MOS) | 40 | 32 | 80+ Titanium/ ErP Lot9 | OCPv3 | Primario PFC SiC y secundario Si, LLC Si. Sin tarjeta secundaria. |
| Company C 4kW | 99% | 98.55% | GAN041-650WSA 41mΩ GaN | STY139N65M5 | 50 | / | 80+ Titanium/ ErP Lot9 | Ninguno | Cascode GaN |
| Company D 3.6kW | 97.7% | 97.1% | SCTW35N65G2V 55mΩ GaN | TN3050H-12GY | 57 | / | 80+ Titanium/ ErP Lot9 | Ninguno | SiC, SCR, baja eficiencia |
| Company E 4kW | 98.73% | 98.57% | LMG3410R050 50mΩ GaN | STY139N65M5 | 35 | 123 | 80+ Titanium/ ErP Lot9 | Ninguno | GaN, diseño intercalado, conmutando a 115 kHz (en banda CE) |
| Company F 3.3kW | 99% | 98.55% | TP65H050WS 50mΩ GaN | STY139N65M5 | 50 | / | / | Ninguno | Cascode GaN |
| Wolfspeed 2.2 kW | 98.79% | 98.68% | C3M0060065J/K 60mΩ GaN | Diodo FRED | 64 | 20 | 80+ Titanium/ ErP Lot9 | Ninguno | SiC, sin SR |
| Wolfspeed 3.6 kW | >99% (50% carga) | >98.5% | C3M0045065L 45mΩ SiC TOLL | VS3CDU06H (diodo) | 40 | 92 | 80+ Titanium/ ErP Lot9 | OCPv3 | Primario SiC con opción SR, concepto de tarjeta secundaria |
Tabla 3: Un análisis competitivo de los diseños de referencia de banda ancha en el mercado.
Solución de 3.6 kW de Wolfspeed
El nuevo diseño de referencia PFC en totem-pole de 3.6 kW de Wolfspeed (Tabla 3, última fila) está diseñado para resolver el desafío de la fuente de alimentación de centros de datos y servidores con una eficiencia >99% a media carga y >98.5% a carga completa, cumpliendo con los requisitos de 80 Plus Titanium y ErP Lot 9.
| 4 x MOSFETs | 2 x MOSFETs en pierna HF + 2 x Diodos en pierna LF | |
|---|---|---|
| Costo % de MOSFET | 55.6% | 27.8% |
| Costo % de diodo | 0.0% | 8.7% |
| Costo % de control de puerta | 37.0% | 18.5% |
| PCB, Disipador de calor | 3.7% | 3.7% |
| Costo de ensamblaje | 3.7% | 3.7% |
| Eficiencia @ 50% | 99.1% | 98.6% |
| Eficiencia @ 100% | 98.9% | 98.5% |
| Costo total 100% | 100.0% | 62.4% |
Tabla 4: La comparación de eficiencia y costo de las opciones de cuatro y dos MOSFET disponibles para el diseño de 3.6 kW de Wolfspeed.
El diseño también ofrece la flexibilidad de equilibrar alta eficiencia con un menor costo, mientras sigue cumpliendo los estándares de eficiencia mencionados anteriormente (Tabla 4). La opción de menor costo reemplaza dos de los MOSFETs en el tramo de baja frecuencia (LF) del diseño por diodos, conservándolos en el tramo de alta frecuencia (HF).
Un concepto de diseño con dos tarjetas hijas brinda a los clientes la flexibilidad de elegir la opción adecuada según las prioridades de diseño de su sistema.
Al desarrollar estas soluciones, Wolfspeed utiliza su amplia experiencia en la creación de un amplio portafolio de soluciones de SiC y GaN en SiC más probadas en el mercado. Con un equipo de semiconductores que comprende mejor las fortalezas y el potencial futuro de ambas tecnologías, Wolfspeed está singularmente calificado para dirigir la tecnología más adecuada para cualquier aplicación en particular.
iWiWynn Corp., et al, 48V: Un sistema de entrega de energía mejorado para centros de datos (http://www.wiwynn.com/english/company/newsinfo/1038)
iiWolfspeed, et al, El Carburo de Silicio permite la evolución de PFC, 17 de agosto de 2020 (https://www.wolfspeed.com/knowledge-center/article/silicon-carbide-enables-pfc-evolution)
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