Halvledere med bredt båndgab øger effektiviteten i datacentre

Datacentre spiller en afgørende og afgørende rolle i den stadig mere digitale, forbundne og virtualiserede verden. Da datacentre har et enormt energibehov, er der behov for strømforsyningsløsninger, der kan reducere strømtab, øge effektiviteten og forbedre den termiske kontrol.

Trafikken på internettet er vokset betydeligt i den seneste tid på grund af et større antal brugere, den udbredte brug af mobile enheder og sociale netværk samt fjernlagring af oplysninger i Cloud'en. Ifølge analytikere mangler væksten i denne trafik stadig at nå fuld mætning.

Disse vækstprognoser rejser spørgsmål om udstyrets effektivitet og elforbrug, hvilket fremmer udviklingen af nye energieffektive teknologier til strømkonvertering som dem, der tilbydes af wide bandgap (WBG)-strømforsyningsenheder.

Effektivitet er altafgørende

Ud over den fysiske infrastruktur er et datacenter en struktur, der huser netværksbaserede computerservere til elektronisk behandling, lagring og distribution af data. Den vigtigste komponent i et datacenter er serveren, en enhed, der lagrer data, som driver internettet, Cloud-computing og virksomheders intranet.

Energibehovet stiger som følge af den stigende mængde digitale data, der skabes, behandles og lagres. Ud over strømforsyning til racks, datalagring og netværksenheder har datacentre også brug for ekstra køle- og ventilationsudstyr til at fjerne den varme, der produceres under databehandlingen og konverteringen af elektrisk strøm.

Den typiske struktur af det strømkonverteringssystem, der anvendes i et datacenter, omfatter flere AC/DC-, DC/AC- og DC/DC-spændingskonvertere, som hele datacentrets effektivitet afhænger af. Der er to vigtige fordele ved at reducere tabene i de konvertere, der forsyner databehandlings- og lagringsenhederne med strøm. For det første er der ikke behov for at tilføre den energi, der ikke omdannes til varme, og for det andet er der mindre energi til bortskaffelse af spildvarmen.

Datacentrets effektivitet måles ofte ved hjælp af effektmålet PUE (Power Usage Effectiveness). PUE er udviklet af The Green Grid som en standardmetode til at sammenligne energiforbrug i datacentre og defineres som det samlede energiforbrug i datacentre i forhold til energiforbruget i IT-udstyr.

PUE-målet er en tilstrækkelig grundlæggende statistik til at identificere områder, der skal udvikles. Selv om det ikke er en perfekt måleenhed, er det blevet en industristandard. PUE bør ideelt set være tæt på enhed, hvilket betyder, at datacenteret kun har brug for elektricitet til at dække IT-behovet. Ifølge National Renewable Energy Laboratory (NREL) er den gennemsnitlige PUE imidlertid ca. 1,8. Datacentrenes PUE-værdier varierer meget, men effektivitetsfokuserede datacentre opnår ofte PUE-værdier på 1,2 eller mindre.

En høj PUE kan have forskellige årsager, f.eks. følgende:

• "Zombie"-servere (eller "komatøse" servere) og UPS'er (uninterruptable power supplys), dvs. udstyr, der er tændt, men ikke udnyttes fuldt ud. Den omfatter utilsigtet inaktive enheder, der forbruger elektricitet uden synlighed eller ekstern kommunikation
• Ineffektive backup- og kølemetoder
• Datacentre er mere fokuseret på pålidelighed end på effektivitet

Tilføjelse af variable frekvensdrev (VFD) til køleblæsere og minimering af antallet af servere og UPS'er er to almindelige metoder til at sænke PUE. I de sidste par år har overgangen fra de gamle 12 V-arkitekturer til mere effektive 48 V-løsninger (se figur 1) reduceret betydelige strømtab (I2R-tab), hvilket har givet mere strømkrævende behandlingssystemer mere effektive løsninger. Anvendelse af 48 V i strømarkitekturen resulterer i seksten gange lavere I2R-tab. Dette hjælper med at opfylde de stadigt stigende krav til energieffektivitet, da en effektivitetsforbedring på én procent kan spare kilowatt på hele datacenterniveau.

Figur 1: WBG-halvledere giver bedre ydeevne end silicium. (Billedkilde: Researchgate)

Fordele ved WBG-halvledere i datacentre

Selv om silicium (Si) er den mest velkendte teknologi, har det et mindre båndgab end materialer med bredt båndgab (WBG), som f.eks. galliumnitrid (GaN) og siliciumcarbid (SiC), hvilket sænker dets driftstemperatur, begrænser dets anvendelse til lavere spændinger og reducerer dets varmeledningsevne.

Et mere effektivt alternativ kan være at anvende mere effektive strømforsyningsanordninger, f.eks. WBG-halvledere i stedet for silicium. WBG-halvledere, såsom GaN og SiC, gør det muligt at overvinde siliciumteknologiens begrænsninger, idet de giver høje nedbrydningsspændinger, høj switching-frekvens, lavt lednings- og switching-tab, bedre varmeafledning og mindre formfaktor (se figur 1). Dette resulterer i en højere effektivitet i strømforsyningen og strømkonverteringsfaserne. Som tidligere nævnt kan selv en stigning i effektiviteten i et datacenter på blot et enkelt procentpoint give betydelige energibesparelser.

GaN

GaN er en ny klasse af materialer med bredt båndgab, fordi det har et elektronbåndgab, der er tre gange større (3,4 eV) end silicium (1,1 eV). GaN har desuden en dobbelt så høj elektronmobilitet som silicium. GaN's velkendte og uovertrufne effektivitet ved meget høje switching-frekvenser er muliggjort af dets enorme elektronmobilitet.

Disse egenskaber gør det muligt for GaN-baserede effektenheder at modstå stærkere elektriske felter i en mindre chip-størrelse. Mindre transistorer og kortere strømveje resulterer i ultralav modstand og kapacitet, hvilket giver mulighed for op til 100 gange hurtigere switching-hastigheder.

Reduceret modstand og kapacitet øger også effektiviteten af strømkonvertering, hvilket giver mere strøm til driftbelastninger i datacentre. I stedet for at producere mere varme, hvilket ville kræve mere køling af datacenteret, kan der udføres flere datacenteroperationer pr. watt. Frekvens-switching med høj hastighed reducerer også størrelsen og vægten af passive komponenter til energilagring, fordi hver switching-cyklus lagrer betydeligt mindre energi. En anden fordel ved GaN er dets evne til at understøtte forskellige strømkonverter- og strømforsyningstopologier.

GaN's vigtigste egenskaber, der er relevante for datacenterapplikationer, er følgende:

• Understøttelse af hårde og bløde switching-topologier
• Hurtig tænd og sluk (GaN-switchingbølgeform er næsten identisk med den ideelle firkantede bølge)
• Ingen ladning ved omvendt gendannelse
• Sammenlignet med Si-teknologi:
  • 10x højere nedbrydningsfelt
  • 2x højere mobilitet
  • 10x lavere udgangsafgift
  • 10x lavere gate-ladning og lineær Coss-karakteristik

Disse funktioner gør det muligt for GaN-enheder at opnå løsninger:

• Høj effektivitet, effekttæthed og switching-frekvenser
• Reduceret formfaktor og on-modstand
• Lav vægt
• Næsten tabsfri switching-drift.

En typisk målapplikation for GaN-strømforsyningsenheder er vist i figur 2. Disse højspændings PFC-trin uden broer og totem-pol PFC-trin og højspændings resonant LLC-trin kan opfylde de strenge krav til server SMPS og opnå en flad effektivitet på over 99 % over et bredt belastningsområde og høj effekttæthed.

Figur 2: Højeffektiv GaN switched-mode strømforsyninger (SMPS) til servere i datacentre (Kilde: Infineon)

SiC

Historisk set var en af de første anvendelser af SiC-strømforsyningsenheder i datacentre UPS-udstyret. UPS er afgørende for datacentre for at forhindre de potentielt katastrofale virkninger af en fejl eller afbrydelse af netspændingen på deres drift. Redundans i strømforsyningen er afgørende for at sikre et datacenters driftskontinuitet og pålidelighed. Optimering af datacenterets PUE er en primær prioritet for enhver iværksætter og driftsledelse.

En pålidelig, konstant strømkilde er nødvendig for et datacenter. Spændings- og frekvensuafhængige (VFI) UPS-systemer anvendes ofte til at opfylde dette krav. En AC/DC-konverter (ensretter), en DC/AC-konverter (inverter) og en DC-forbindelse udgør en VFI UPS-enhed. En bypass-kontakt, der primært bruges under vedligeholdelse, forbinder UPS-udgangen direkte til vekselstrømskilden ved indgangen. I tilfælde af et strømsvigt på nettet tilsluttes batteriet, der typisk består af mange celler, til en buck- eller boost-konverter og forsyner strømforsyningen med strøm.

Da AC ved indgangen konverteres til DC og derefter igen til en præcis sinusformet udgangsspænding, er disse enheder typisk dobbeltkonverterende kredsløb. Resultatet eliminerer enhver variation i forsyningsspændingen, så UPS'en kan forsyne belastningen med et stabilt og rent signal. Ud over at isolere systemet fra strømkilden vil konverteringsprocessen beskytter spænding belastningen mod spændingsudsving.

Indtil for nylig har IGBT'er (isoleret-gate bipolære transistorer) med tre-niveau switching-topologier haft de bedste resultater med hensyn til effektivitet. Der blev opnået en effektivitet på 96 % takket være denne fremgangsmåde, hvilket er en betydelig forbedring i forhold til tidligere transformerbaserede modeller.

Siliciumcarbid-transistorer har gjort det muligt at reducere strømtab betydeligt (> 70 %) og øge effektiviteten i UPS-systemer med dobbeltkonvertering. Denne bemærkelsesværdige effektivitet (over 98 %) fortsætter under lavere og højere belastningsscenarier.

Resultater af denne type kan opnås på grund af siliciumcarbidets iboende egenskaber. Sammenlignet med traditionelle siliciumbaserede enheder, såsom MOSFETs og IGBTs, kan SiC fungere ved højere temperaturer, frekvenser og spændinger.

En yderligere fordel ved SiC-baseret UPS er et bedre varmetab (eller varmeafvisning), hvilket muliggør drift ved højere temperaturer. Denne funktion gør det muligt for designere at anvende mere kompakte og økonomiske køleløsninger. Samlet set er en SiC-baseret UPS mere effektiv, lettere og mindre end en tilsvarende model med siliciumbaserede komponenter.

SiC-baserede halvledere kan fungere ved højere temperaturer end traditionelle Si-halvledere på grund af deres iboende egenskaber. Kundens køleomkostninger kan således reduceres på grund af UPS'ens lavere varmetab og evne til at fungere ved højere temperaturer.

Når man maksimerer den tilgængelige gulvplads i et datacenter, reducerer en SiC-baseret UPS vægt og størrelse sammenlignet med den konventionelle Si-baserede UPS. Desuden kræver en SiC-baseret UPS mindre gulvplads, hvilket øger den tilgængelige strømkapacitet i et givet område.

Konklusion

Sammenfattende er WBG-materialer, ligesom GaN og SiC, nye halvledere, der vil etablere en ny bane for effektelektronik i krævende applikationer som f.eks. datacentre. Deres fordele omfatter øget systemeffektivitet, lavere krav til kølesystemet, drift ved højere temperaturer og højere effekttæthed. Med integrationen af GaN- og SiC-strømforsyningsenheder i spændingskonvertere og strømforsyninger kan datacenteroperatører nå deres mål om at opnå højere effektivitet, maksimere gulvarealet og reducere driftsomkostningerne i hele anlægget.