데이터센터 전력 문제를 해결할 적합한 기술 찾기

데이터센터 전원 공급 장치에 대한 글로벌 표준도 더 높은 효율성을 향해 계속 진화하고 있습니다. Open Compute Project (OCP) 3.0은 에너지 소비를 줄이는 하드웨어를 더욱 최적화하며, 80 Plus Platinum 및 Titanium 인증 요구사항, 그리고 유럽의 Ecodesign (ErP) Lot 9 규정도 계속 발전하고 있습니다(Table 1). Lot 9의 다음 업데이트는 이미 2026년 1월로 예정되어 있습니다.

프로세서와 서버의 성능이 증가함에 따라 데이터센터는 랙당 더 많은 전력을 사용하고 있습니다. 현재 데이터센터는 2~4 kW의 분리 블록이 필요하며, 업계는 더욱 높은 전력 밀도를 향해 나아가고 있습니다.ⁱ 1세대 12V 수준에서 이러한 전력을 분배하려면 훨씬 더 높은 전류를 처리해야 합니다. 서버 랙에 1 kW를 제공하려면 기존의 12V 아키텍처에서 83A의 전류를 전달해야 합니다. I2R 손실을 제어하고 안전 문제를 해결하기 위해, 이러한 시스템의 배선 하네스에 더 많은 구리가 필요하게 됩니다.

1%의 효율성 개선은 데이터센터 수준에서 킬로와트를 절약할 수 있으며, 48V를 사용하는 2세대 전력 아키텍처(그림 1)는 UL-60950-1 표준의 60V DC 안전 저전압(SELV) 한계 이하로 유지하면서도 I2R 손실을 16배 낮출 수 있습니다. 이 한계를 초과하면 추가적인 절연, 간격, 테스트가 필요합니다. 새로운 에너지 효율 요구 사항을 충족하기 위해 엔터프라이즈 데이터센터 전력 부문은 48V 아키텍처를 채택하고 있습니다.

2세대 랙 시스템은 개별적인 2-4 kW 전력 블록으로 구축되며, 1세대의 대형 고전압 무정전 전원 장치(UPS)와 전력 분배 장치(PDU)를 대체하여 랙당 더 작은 UPS로 구성됩니다. 이 작은 UPS는 48 V DC 전원 공급을 사용하여 충전됩니다. AC-DC 및 DC-DC 전원 공급 장치는 각각의 서버 보드를 작동시킬 뿐만 아니라 UPS 배터리를 충전합니다. 1세대에서의 부하 공유 및 이중화 제거로 인해 각 전원 공급 장치가 거의 최대(100%) 부하 상태로 작동해야 하는 요구 사항이 생깁니다.

서버 PSU의 과제

위에서 언급된 변화로 인한 도전 과제 외에도, OCP 3.0, Open Rack V.2 (ORV) 및 비트코인/채굴용 전원 공급 장치(PSU)는 2 kW를 넘어 3-4 kW 범위로의 이동이 필요하다는 점에 주목할 가치가 있습니다. 랙 제조업체들은 높이 40mm의 소형 폼팩터와 낮은 프로파일, 높은 전력 밀도, 효과적이고 저비용의 열 관리, 그리고 고속 스위칭을 관리하기 위한 EMI 설계를 지속적으로 요구하고 있습니다. 고속 스위칭은 자성 부품의 크기를 줄이는 데 도움이 됩니다. 추가적으로, 파워 MOSFET를 딸 카드(daughter card)에 장착하여 완전한 디지털 제어와 설계 유연성을 요구하고 있습니다.

이러한 과제를 해결하기 위해 반도체 소자 기술을 고려할 때, 각기 다른 시스템의 최고 작동 온도, 전압, 효율성, 및 열 관리 요구 사항에 영향을 미치는 밴드갭, 임계 전기 절단, 전자 이동도, 열 전도성과 같은 차이점을 주목해야 합니다.

반도체 솔루션

실리콘(Si)은 가장 익숙한 기술이지만, 더 작은 밴드갭은 작동 온도를 제한하며, 낮은 항복 전기장은 낮은 전압으로 사용을 제한하고, 낮은 열 전도율은 갈륨 나이트라이드(GaN) 및 실리콘 카바이드(SiC)와 같은 넓은 밴드갭 소재에 비해 전력 밀도를 제한합니다.

데이터센터 전원 공급 장치에 필요한 효율성을 위해서는 스위칭 손실과 전도 손실을 비교하는 것이 중요합니다. 전도 손실(I²R 손실)은 ON 드레인-소스 저항(R_DS(ON))이 낮고 온도 변화에 따라 변경이 적을 때 더 낮아집니다.

그림 2는 Gen 2 데이터센터 PSU 요구사항을 충족하기 위해 많은 설계자가 고려하는 기술인 SiC, GaN, 및 Si 슈퍼 정션(SJ)에 대해 온도에 따른 정규화된 R_DS(ON)를 나타낸 그래프를 보여줍니다. 흥미롭게도 GaN 및 SJ 디바이스는 데이터센터 전원 공급 장치에 실질적이지 않은 온도인 25°C 이하에서 더 낮은 R_DS(ON)를 자랑한다는 것을 눈여겨볼 수 있습니다. GaN 및 SJ 디바이스의 데이터시트는 종종 R_DS(ON)를 25°C에서 명시하므로, 시스템이 일반적으로 설계되는 훨씬 더 높은 작동 온도에서의 성능 사양을 오해할 수 있게 만듭니다.

그림 2에서 주목할 만한 또 다른 흥미로운 특성은 온도에 따른 RDS(ON)의 변화입니다. SiC의 곡선은 거의 평탄하게 유지되지만, 다른 기술들은 모두 RDS(ON)에서 큰 증가를 보여주며, 특히 GaN에서는 이 변화가 극적으로 나타납니다. 설계자는 120°C에서 140°C의 실온 접합 온도에서 RDS(ON)을 사용해야 하므로, 60-mΩ SiC 소자는 "뜨거운" 상태에서 80-mΩ이 될 수 있습니다. 반면 40-mΩ Si SJ나 GaN 소자는 실제로 상당히 >80-mΩ 이상의 "뜨거운" 상태에 놓이게 됩니다.

GaN의 낮은 스위칭 손실 ≠ 낮은 총 손실

GaN의 높은 전자 이동도는 매우 높은 스위칭 주파수에서 잘 알려진 독보적인 효율성을 가능하게 하는 특성입니다. 여기에서 논의된 기술 중에서 GaN은 가장 낮은 스위칭 손실을 제공합니다 (그림 3).

Wolfspeed는 토템폴 PFC 시뮬레이션에서 자신의 60-mΩ SiC 소자를 50-mΩ GaN 소자와 비교한 결과, GaN이 전력 범위 전체에서 약간 더 낮은 스위칭 손실을 갖고 있었지만, 전력이 증가함에 따라 더 높은 도통 손실과 이에 따른 접합 온도 상승으로 인해 그러한 이점이 상쇄된다는 것을 발견했습니다. 이는 스위칭 주파수에 관계없이 더 높은 도통 손실을 보완하기 위해 GaN 소자를 과도하게 설계해야 함을 요구합니다.

GaN 테스트는 장치의 전력 제한으로 인해 3kW에서 중단되어야 했습니다. 연구는 SiC가 전체 손실을 상당히 낮추는 결과를 명확히 보여주었으며, 특히 데이터센터와 같이 광대역 금속 산화물 반도체의 사용이 가장 매력적인 고출력 수준에서 두드러졌습니다. 세 가지 반도체 기술의 다양한 장치 수준 성능 사양은 그림 4의 레이더 차트에서 비교됩니다.

처음 봤을 때, GaN의 이점으로는 연속 도통 모드(CCM) 동기 정류기에서 최소 스위칭 손실을 위한 가장 낮은 역회복 전하 Q_rr, 낮은 데드 타임과 높은 주파수 및 효율성을 위한 가장 낮은 시간 관련 출력 커패시턴스 C_oss(tr), 그리고 하드 스위칭 방식의 토폴로지에서 스위칭 손실을 최소화하기 위한 가장 낮은 에너지 관련 출력 커패시턴스 C_oss(er)가 있다는 점이 분명합니다. 이러한 속성에서 SiC는 GaN 바로 뒤를 따르고 있으며, Si는 크게 뒤처지고 있습니다.

실리콘의 장점에는 접합-케이스 열 저항 R_thjc이 가장 낮아 더 나은 열 성능을 제공하는 것과 가장 높은 임계 전압 V_th이 포함되며, 이는 노이즈 내성을 높이고 Si 소자를 더 쉽게 구동할 수 있도록 합니다. 참고로 GaN은 V_th이 매우 낮습니다.

최대 접합 온도 T_{j_max}와 단일 펄스의 애벌랜치 에너지 E_as는 소자의 견고성을 나타냅니다. SiC는 가장 견고한 것으로 나타나며, GaN은 E_as 기능이 없습니다. 또한, SiC는 온도 변화에 따른 R_DS(ON) 변화가 가장 낮아 고온에서 낮은 도통 손실을 제공합니다. 이것은 GaN이 낮은 스위칭 손실로 얻는 모든 이점을 상쇄시키면서 상당히 뒤처지는 부분입니다.

결합하면, SiC의 강점은 더 높은 전력 수준에서 최고의 효율성을 제공할 뿐만 아니라, 엔터프라이즈 데이터센터와 유사한 고도 요구 애플리케이션에 필요한 높은 전력 밀도를 제공합니다.

패키지 관점

Wolfspeed가 Si에서 성공적으로 전환하기 위해 SiC 기술을 개발한 이후, 일반적인 표면 실장 및 관통형 패키지 대부분이 SiC 제품에 사용 가능합니다. 반면에 GaN은 패키지 표준화와 관련하여 독특한 도전에 직면하고 있습니다.

예를 들어, GaN 관통형 패키징은 드물게 사용됩니다. 그 이유는 제품이 낮은 기생 특성을 가지고 고주파 스위칭을 허용함으로써 소재의 강점을 최대로 활용해야 하기 때문입니다. GaN은 종종 대형 QFN 또는 맞춤형 패키지 형태로 제공됩니다. 대형 QFN은 보드 수준의 신뢰성 문제를 겪으며, 맞춤형 패키지는 다중 소스의 가용성과 하청업체의 도구 제작 능력이 부족합니다.

GaN 전력 소자의 패키지 과제는 여기서 끝나지 않습니다. 다른 일반적인 문제로는 다음이 포함됩니다:

시장이 고전력 밀도 설계와 더 좁은 공간 제약으로 이동함에 따라, TO-Leadless(TOLL) 패키지는 낮은 높이와 더 작은 풋프린트라는 장점을 제공하며, 리드가 없는 형식은 고주파 작동 시 문제가 될 수 있는 리드 인덕턴스를 감소시킵니다. 패키지의 더 큰 드레인 탭 영역은 작은 패키지에서 발생할 수 있는 열 성능 문제를 해결합니다.

TOLL은 데이터센터 및 서버 전원 공급 시장을 위한 비교적 새로운 패키지입니다. 그러나 Wolfspeed는 데이터센터와 서버 전원 공급을 위한 새로운 TOLL 패키지 변형 개발과 같은 방향으로 제품 개발을 통해 해당 시장을 지원하고 있습니다.

시스템 수준 비교

Si 기반 H-브리지와 비교할 때, SiC 기반 CCM 토템폴 PFC는 유사하거나 더 낮은 비용으로 더 높은 효율과 더 높은 전력 밀도를 제공할 수 있습니다.ⁱⁱ 기술 간 효율 비교는 SiC 및 GaN 기반 CCM 토템폴 PFC가 모두 >99% 효율을 달성할 수 있지만, GaN은 매우 가벼운 부하에서만 효율적으로 우위를 가진다는 것을 명확히 보여줍니다. 앞서 논의했듯이, GaN의 훨씬 높은 R_DS(ON) 온도 변화 (그림 2)는 높은 전력/부하에서 효율 곡선을 급격히 하락시키는 결과를 초래합니다. 데이터센터와 같이 24시간 연속으로 최대 부하 또는 근접 부하에서 작동하는 애플리케이션에서는 GaN이 효율 요구 사항을 충족하지 못합니다.

반면, SiC는 반 부하 시 GaN과 유사한 효율을 제공하며, 풀 부하 시에는 더 높은 효율을 제공합니다 (그림 6).

전력 밀도, 구성 요소의 수, SiC 및 GaN 기반 CCM 토템 폴 PFC의 상대 비용을 포함한 보다 포괄적인 관점에서 보면 (표 2), SiC가 고전력 밀도 애플리케이션에서 효율성 면에서 뿐만 아니라 게이트 드라이브 복잡성, 제어, 비용 면에서도 GaN보다 우수하다는 점이 주목됩니다.

표 2: 실리콘 카바이드 및 GaN 기반 브리지리스 PFC의 토폴로지 및 구성 요소 분석.

다양한 회사의 실질적인 광대역갭 데모 설계 비교에서, Wolfspeed SiC는 분명한 이점을 보여줍니다 (표 3). 주목해야 할 몇 가지 주요 사항은 다음과 같습니다:

Wolfspeed의 3.6kW 솔루션

Wolfspeed의 새로운 3.6 kW 토템폴 PFC 참조 설계(표 3, 마지막 행)는 50% 부하에서 99% 이상의 효율과 100% 부하에서 98.5% 이상의 효율을 달성하며, 80 플러스 타이타늄 및 ErP Lot 9 요구 사항을 충족하여 데이터센터 및 서버 전원 공급 문제를 해결하는 데 목표를 두고 있습니다.

해당 설계는 높은 효율성의 일부를 희생하여 비용을 낮추는 유연성을 제공하며, 여전히 위에서 언급한 효율성 기준(표 4)을 충족합니다. 비용 절감 옵션은 설계의 저주파(LF) 경로에 있는 두 개의 MOSFET을 다이오드로 교체하는 반면, 고주파(HF) 경로에서는 이를 유지합니다.

두 개의 딸카드 설계 개념은 고객에게 시스템 설계 우선순위에 따라 적합한 옵션을 선택할 수 있는 유연성을 제공합니다.

이러한 솔루션을 개발하는 과정에서 Wolfspeed는 시장에서 가장 다양한 실전 테스트를 거친 SiC 및 SiC 기반 GaN 솔루션 포트폴리오를 구축한 폭넓은 경험을 활용합니다. 두 기술의 강점과 미래 잠재력을 가장 잘 이해하는 반도체 팀을 갖춘 Wolfspeed는 특정 응용 분야에 가장 적합한 기술을 선정할 수 있는 독보적인 자격을 갖추고 있습니다.

ⁱWiWynn Corp., 외, 데이터센터를 위한 개선된 전력 전달 시스템: 48V (http://www.wiwynn.com/english/company/newsinfo/1038)

ⁱⁱWolfspeed, 외, 실리콘 카바이드가 PFC 진화를 가능하게 하다, 2020년 8월 17일 (https://www.wolfspeed.com/knowledge-center/article/silicon-carbide-enables-pfc-evolution)