寻找解决数据中心电力挑战的正确技术
数字化和云服务的快速部署推动了全球数据中心的增长。数据中心消耗了全球近1%的电力，这一数字预计还将继续增长。行业趋势，如元宇宙以及增强现实和虚拟现实，将持续需求比地球可持续生产更多的能源。虽然增加可再生能源的使用是向正确方向迈出的一步，但这还远远不够，能源效率是另一个重点领域，针对数据中心因服务器及其冷却系统的能源消耗所占运营成本近40%的问题。
全球数据中心电源供应的标准也在不断向更高的效率发展。开放计算项目（OCP）3.0进一步优化硬件以降低能耗，同时80 Plus铂金和钛金认证要求以及欧盟的欧洲生态设计（ErP）Lot 9法规也在持续更新（表1）。Lot 9的下一次更新已计划于2026年1月进行。
| 效率 | 功率因数 | 80 Plus 标准 | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 要求 | 输出/负载 | 10% | 20% | 50% | 100% | 10% | 20% | 50% | 100% | 230 V 非冗余 | 230 V 冗余 |
| 第 9 版 （2020 年 3 月） | 多路 | - | 88% | 92% | 88% | - | - | 0.90 | - | 金牌 | 金牌 |
| 单路 | - | 90% | 94% | 91% | - | - | 0.95 | - | 铂金* | 铂金 | |
| 第 9 版 （2023 年 1 月） | 多路 | - | 90% | 94% | 91% | - | - | 0.95 | - | 铂金* | 铂金 |
| 单路 | 90% | 94% | 96% | 91% | - | - | 0.95 | - | 钛金 | 钛金 |
表格1：第9批和80plus有相似的要求，80plus钛金认证要求峰值效率>98.5%的功率因数校正(PFC)。
随着处理器和服务器的性能提升，数据中心每个机架的功耗正在增加。目前，它们需要2-4 kW的独立模块，行业趋势甚至正在向更高功率密度发展。i 在第一代12 V水平上分配这些功率意味着需要处理更高的电流。为了向服务器机架提供1 kW的功率，传统的12-V架构需要传输83 A的电流。为了控制I2R损耗并解决安全问题，这种系统的线束中需要更多的铜。
一项百分之一的效率提升可以在数据中心层级节省千瓦的电能，而第二代电源架构采用48 V（图1），能够使I2R损耗降低16倍，同时仍低于UL-60950-1标准的60 V直流安全超低电压（SELV）限制。在超过该限制后，需要额外的绝缘、间距和测试。为了满足新的能源效率要求，企业数据中心的电力领域因此正在采用48 V架构。
第二代机架系统以独立的2-4千瓦功率模块构建，取代了第一代中的大型高压不间断电源（UPS）和配电单元（PDU），改为每个机架配备较小的UPS，并使用48伏直流电源（DC）进行充电。交流-直流（AC-DC）和直流-直流（DC-DC）电源不仅为每块服务器主板供电，还为UPS电池充电。去除第一代的负载共享和冗余设计导致每个电源需要在接近满负载（100%）条件下运行。
图 1：第二代电源架构的全球能源节约量可等同于 27 座 1 吉瓦核电站的发电量。来源：Fred Lee，《下一代数据中心电源架构》。
服务器电源的挑战
除了上述所提到的变化带来的挑战之外，还值得注意的是，OCP 3.0、Open Rack V.2 (ORV) 以及比特币/矿机电源单元 (PSUs) 需要从2千瓦提升到3-4千瓦的范围内。机架制造商持续要求小型化的外形尺寸和40毫米高度的低型设计、高功率密度、高效和低成本的热管理，以及针对高频开关所带来的磁性元件尺寸缩小的EMI设计。此外，还要求通过使用安装在子卡上的功率MOSFET，实现完全数字化控制和设计灵活性。
在考虑半导体器件技术以解决这些挑战时，必须注意带隙、临界电击穿、电荷迁移率以及热导率方面的差异，这些因素都会影响系统的峰值工作温度、电压、效率以及热管理要求。
半导体解决方案
尽管硅 (Si) 是最常见的技术，但其较小的能隙限制了工作温度，其较低的击穿电场限制了其在低电压条件下的应用，并且其较低的热导率相比宽能隙材料（如氮化镓 (GaN) 和碳化硅 (SiC)）限制了功率密度。
为了满足数据中心电源供应的效率需求，对比开关损耗和导通损耗是至关重要的。导通损耗（设备的 I2R 损耗）在导通状态下漏源电阻 (RDS(ON)) 较低且随温度变化较小时会更低。
图 2 显示了针对温度进行归一化的 RDS(ON) 曲线，这些曲线对应许多设计人员考虑用来满足第二代数据中心电源供应（PSU）需求的技术——SiC、GaN 和 Si 超结（SJ）。值得注意的是，GaN 和 SJ 器件在低于 25°C 时都表现出更低的 RDS(ON)，而这些温度对数据中心电源供应来说并不实际。由于 GaN 和 SJ 器件的数据表通常在 25°C 下规定 RDS(ON)，这可能会误导工程师假设该规格适用于系统通常设计使用的更高运行温度。
图2：一个通用图表显示典型MOSFET RDS(ON)（归一化）随温度变化的情况。
在图2中需要注意的另一个有趣特性是RDS(ON)随温度的变化。SiC的曲线几乎保持平稳，虽然其他技术都表现出RDS(ON)的显著增加，这种变化在GaN上尤为剧烈。由于设计者必须在实际工作结温120°C到140°C下使用RDS(ON)，一个60mΩ的SiC器件在“热”状态下会达到80mΩ，而一个40mΩ的Si SJ或GaN器件在“热”状态下实际上会显著超过80mΩ。
GaN 的低开关损耗 ≠ 低总损耗
GaN 的高电子迁移率是其能够在非常高的开关频率下实现著名且无与伦比效率的特性。在这里讨论的众多技术中，GaN 提供了最低的开关损耗（图 3）。
图 3: 一项研究比较了 Wolfspeed 60 毫欧硅化碳器件与 50 毫欧氮化镓器件在图腾柱功率因数校正 (PFC) 仿真中的表现。左侧为功率损耗与输出功率关系图，右侧为电路图。
Wolfspeed 在图腾柱 PFC 仿真中对比了他们的60毫欧 SiC器件与50毫欧 GaN器件，发现尽管GaN在整个功率范围内的开关损耗稍低，但这种优势被随功率和结温升高而增加的导通损耗所抵消。因此，无论开关频率如何，GaN器件都需要进行超规格设计，以弥补较高的导通损耗。
由于设备的功率限制，GaN测试不得不停在3千瓦。研究明确表明，SiC显著降低了总损耗，尤其是在宽带隙半导体最具吸引力的高功率水平上，例如数据中心中。三种半导体技术的各种器件级性能规格在图4的雷达图中进行了比较。
图 4：碳化硅在高电压、高功率和高温应用中表现出色，例如数据中心电源。
乍一看，我们注意到GaN的优势：在连续导通模式 (CCM) 同步整流器中，它具有最低的反向恢复电荷 Qrr，从而实现最低的开关损耗；具有最低的时间相关输出电容 Coss(tr)，以减少死区时间，实现高频率和高效率；以及在硬开关拓扑中具有最低的能量相关输出电容 Coss(er)，以将开关损耗降至最低。值得注意的是，在这些特性上，SiC紧随GaN其后，而Si则明显落后。
硅的优势包括最低的结到壳热阻 Rthjc，这带来了更好的热性能，以及最高的阈值电压 Vth，这提供了更好的噪声免疫能力，并使硅器件更易于驱动。请注意，GaN 的 Vth 极低。
最大结温 Tj_max 和单脉冲雪崩能量 Eas 表明器件的可靠性。正如所示，SiC 是最可靠的，而 GaN 则不具备 Eas 能力。此外，SiC 在温度变化下的 RDS(ON) 变化最小，这使其在高温下具有较低的导通损耗。而这正是 GaN 的明显劣势，导致其在低开关损耗方面的所有优势都被抵消。
综合来看，SiC 的优势有助于在更高功率水平下实现最高效率，并提供企业数据中心和类似高要求应用所需的高功率密度。
包装的观点
自从Wolfspeed开发了SiC技术以实现从Si的成功过渡以来，许多常见的表面贴装和通孔封装已可用于SiC产品。而另一方面，GaN在封装标准化方面则面临独特的挑战。
例如，GaN 直插封装并不常见，因为产品需要具有更低的寄生参数并支持超高频开关，以充分利用材料的优势。GaN 通常以大型 QFN 或定制封装形式提供。大型 QFN 存在板级可靠性问题，而定制封装缺乏多来源供应以及分包商的生产工具能力。
氮化镓（GaN）功率器件封装的挑战并未就此结束。其他常见问题包括：
- Kelvin源引脚在SiC中被广泛采用，以实现更好的开关控制，但在共源共栅GaN中却不可行，因为像共源共栅场效应晶体管和电容等其他内部参数未被考虑。无法消除公共源，共源共栅GaN限于TO-247-3（三引脚）封装，在这种封装中，对栅极振荡的敏感性限制了开关速度。
- 市场上的一些定制封装非常薄，导致可用的散热器空间受到限制。
- 市场上的另一种定制封装采用顶部冷却排热设计，需要高导热性的热界面材料（TIMs）来将设备的热量散出。
- 另一种用于GaN的TO-Leadless (TOLL)封装将栅极和凯尔文源设置在与标准硅技术不同的方向上，这使得从后者技术过渡变得困难。
图5：Wolfspeed的TOLL封装显著小于标准的TO-263封装，并支持低成本的表面贴装组装。
随着市场朝着高功率密度设计和更紧凑空间限制方向发展，TO-Leadless (TOLL) 封装提供了低高度和较小占用面积的优势，同时其无引脚形式使其具有较低的引脚电感，这对于高频运行中可能存在的问题是一个重要解决方案。该封装较大的漏极焊盘区域解决了小型封装中热性能方面的忧虑。
TOLL 是一个相对较新的封装技术，主要应用于数据中心和服务器电源市场。然而，Wolfspeed 正通过产品开发来支持该市场，例如为数据中心和服务器电源推出新的 TOLL 封装型号。
系统级对比
与基于硅的H桥相比，基于SiC的CCM图腾柱PFC不仅可以实现更高的效率，还可以在相似或更低的成本下具有更高的功率密度。ii 对技术效率的比较清楚地表明，虽然基于SiC和GaN的CCM图腾柱PFC都能实现>99%的效率，但GaN只有在非常轻的负载下才具备效率优势。如前所述，GaN的RDS(ON)随温度变化更高（图2），导致其在高功率/负载下效率曲线显著下降。在像数据中心这样的应用中，这些系统需要在全天候满负载或接近满负载状态下运行，因此GaN无法满足效率要求。
另一方面，SiC在半负载时提供了与GaN相似的效率，而在满负载时则表现出更高的效率（图6）。
图6：碳化硅是图腾柱功率因数校正（PFC）电路的最佳选择，特别适用于高可靠性应用。
从更广泛的角度来看，包括功率密度、组件数量以及基于SiC和GaN的CCM图腾柱PFC的相对成本（表2），可以注意到，在高功率密度应用中，SiC不仅在效率方面优于GaN，还在栅极驱动复杂性、控制和成本方面表现更好。
| # PFC扼流圈 | #功率半导体 | 功率密度 | 峰值效率 | 成本 | #栅驱动 | #栅驱动 | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| SiC CCM Totem Pole 半桥无桥功率因数校正 | 1 | 4 | 最高 | 98.8% | 中等 | 2 | 2 |
| SiC CCM Totem Pole 无桥功率因数校正 | 1 | 4 | 最高 | 99.1% | 高 | 3 | 3 |
| GaN CCM Totem Pole 半桥无桥功率因数校正 | 1 | 4 | 最高 | 98.8% | 高 | 2 | 3 |
| GaN CCM Totem Pole 无桥功率因数校正 | 1 | 4 | 最高 | 99.2% | 最高 | 3 | 4 |
| GaN CRM Totem Pole 无桥功率因数校正 | 2 | 6 | 中等 | 99.1% | 最高 | 4 | 5 |
表 2：基于硅化碳和氮化镓的无桥PFC的拓扑结构和组件分析。
在对来自多家公司实际宽禁带演示设计的另一次比较中，Wolfspeed SiC 显示出明显优势（表 3）。需要注意的一些关键点包括：
- 许多现有的参考设计需要不切实际的热管理并限制设计灵活性。
- 基于GaN FET的图腾柱设计在满载时效率较低，这主要是由于RDS(ON)的高温度系数所致。
- 正如预期，由于SiC低温度系数的RDS(ON)，Wolfspeed的设计表现出从半负载到满负载几乎平坦的效率曲线。
- 虽然 SiC 和 GaN 满足 2-4 kW 范围内无桥 PFC 的要求，但高导通损耗使得 GaN 在超过 4 kW 的热设计上具有挑战性。
- 参考设计的系统频率被限制在45-47 kHz和60-67 kHz范围内，以将谐波保持在150 kHz以下，从而满足CE的EMI要求。这抵消了GaN在低开关损耗方面的优势。
| 峰值效率 | 满载效率 | HF 开关 | LF 开关 | 高度 (mm) | 功率密度 (W/in3) | 效率标准 | 物理标准 | 备注 | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 公司A 2.6kW | 99.14% | 98.7% | GS66516B 32mΩ GaN | IXFH60N65X2 | 40 | 78 | 80+ Titanium/ ErP Lot9 | 无 | SMD GaN |
| 公司B 2.5kW | 99.2% | 98.5% | IGO60R070D1 70mΩ GaN | IPT65R033G7 | 45 | / | 80+ Titanium/ ErP Lot9 | 无 | eGaN，因70mΩ限制为2.5kW |
| 公司B 3kW | 98.9% (50%负载) | 98.5% | IMZA65R048M1H 65mΩ GaN | IPW60R017C7 (SJ MOS) | 40 | 32 | 80+ Titanium/ ErP Lot9 | OCPv3 | PFC SiC 初级 & Si 次级，LLC Si。无子卡。 |
| 公司C 4kW | 99% | 98.55% | GAN041-650WSA 41mΩ GaN | STY139N65M5 | 50 | / | 80+ Titanium/ ErP Lot9 | 无 | Cascode GaN |
| 公司D 3.6kW | 97.7% | 97.1% | SCTW35N65G2V 55mΩ GaN | TN3050H-12GY | 57 | / | 80+ Titanium/ ErP Lot9 | 无 | SiC，SCR，效率低 |
| 公司E 4kW | 98.73% | 98.57% | LMG3410R050 50mΩ GaN | STY139N65M5 | 35 | 123 | 80+ Titanium/ ErP Lot9 | 无 | GaN，交错式，切换频率为115 kHz（在CE频段内）=) |
| 公司F 3.3kW | 99% | 98.55% | TP65H050WS 50mΩ GaN | STY139N65M5 | 50 | / | / | 无 | Cascode GaN |
| Wolfspeed 2.2kW | 98.79% | 98.68% | C3M0060065J/K 60mΩ GaN | FRED 二极管 | 64 | 20 | 80+ Titanium/ ErP Lot9 | 无 | SiC，无SR |
| Wolfspeed 3.6kW | >99% (50%负载) | >98.5% | C3M0045065L 45mΩ SiC TOLL | VS3CDU06H (二极管) | 40 | 92 | 80+ Titanium/ ErP Lot9 | OCPv3 | SiC 初级配备SR选项，子卡设计 |
表 3: 市场上宽禁带参考设计的竞争分析。
Wolfspeed的3.6 kW解决方案
Wolfspeed 的新款 3.6 kW 图腾柱 PFC 参考设计（表 3，最后一行）旨在解决数据中心和服务器电源供应的挑战，在半负载时效率超过 99%，满负载时效率超过 98.5%，达到 80 Plus Titanium 和 ErP Lot 9 的要求。
| 4个MOSFET | 高频（HF）臂2个MOSFET + 低频（LF）臂2个二极管 | |
|---|---|---|
| MOSFET成本占比 | 55.6% | 27.8% |
| 二极管成本占比 | 0.0% | 8.7% |
| 栅极驱动成本占比 | 37.0% | 18.5% |
| 印刷电路板(PCB)、散热器 | 3.7% | 3.7% |
| 组装成本 | 3.7% | 3.7% |
| 效率 @ 50% | 99.1% | 98.6% |
| 效率 @ 100% | 98.9% | 98.5% |
| 总成本 100% | 100.0% | 62.4% |
表4：Wolfspeed 3.6 kW设计中四MOSFET选项与两MOSFET选项的效率和成本对比。
该设计还提供了在降低成本的同时实现高效性标准的灵活性，同时仍然符合上述效率标准（表4）。降低成本的选项为将设计中低频（LF）部分的两个MOSFET替换为二极管，同时保留高频（HF）部分的MOSFET。
双子卡设计概念为客户提供了灵活性，可根据他们的系统设计优先级选择合适的选项。
在开发此类解决方案时，Wolfspeed 利用其广泛的经验，构建市场上最受实地验证的 SiC 和 GaN on SiC 解决方案的广泛产品组合。凭借一支对两种技术的优势和未来潜力具有深刻理解的半导体团队，Wolfspeed 独具资格专注于针对任何特定应用最适合的技术。
i緯颖科技公司等：《48V：一种改进的数据中心供电系统》（http://www.wiwynn.com/english/company/newsinfo/1038)
iiWolfspeed公司等：《碳化硅推动功率因数校正（PFC）技术发展》，2020年8月17日（https://www.wolfspeed.com/knowledge-center/article/silicon-carbide-enables-pfc-evolution）
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