作者：Rolf Horn

　　数据中心在日益数字化、互联和虚拟化的世界中发挥着至关重要的作用。由于数据中心具有巨大的能源需求，因此需要能够减少功率损耗、提高效率和增强热控制的电源解决方案。

　　近年来，由于用户数量增加、移动设备和社交网络的广泛使用以及云中信息的远程存储，互联网上的流量大幅增长。据分析人士称，这种流量的增长仍然需要达到完全饱和。

　　这些增长预测提出了有关设备效率和电力消耗的问题，这刺激了新型节能功率转换技术的发展，例如宽带隙(WBG)功率器件提供的技术。

　　效率至上

　　除了物理基础结构之外，数据中心还是一种容纳网络计算机服务器的结构，用于数据的电子处理、存储和分发。数据中心的关键组件是服务器，这是一种存储为 Internet、云计算和企业内部网提供支持的数据的设备。

　　由于创建、处理和存储的数字数据量不断增加，能源需求正在上升。除了为机架、数据存储和网络单元供电外，数据中心还需要辅助冷却和通风设备，以消除数据处理和电力转换过程中产生的热量。

　　数据中心中使用的电源转换系统的典型结构包括多个 AC/DC、DC/AC 和 DC/DC 电压转换器，整个数据中心的效率严格依赖于这些转换器。降低为数据处理和存储设备供电的转换器的损耗有两个主要好处。首先，不需要提供未转化为热量的能量;其次，减少了处理废热所需的能量。

　　数据中心效率通常使用电源使用效率 (PUE) 指标来衡量。PUE 由 The Green Grid 开发，作为比较数据中心能源使用的标准方法，PUE 定义为数据中心能源使用与信息技术 (IT) 设备能源使用的总体比率。

　　PUE度量是一个足够基本的统计数据，可以确定需要发展的领域。尽管不是一个完美的指标，但它已成为行业标准。理想情况下，PUE 应接近统一，这意味着数据中心只需要电力来支持其 IT 需求。然而，根据国家可再生能源实验室(NREL)2的数据，平均PUE约为1.8。数据中心的 PUE 值范围很广，但以效率为中心的数据中心通常达到 1.2 或更低的 PUE 值。

　　高 PUE 可能有不同的原因，如下所示：

　　“僵尸”(或“昏迷”)服务器和不间断电源(UPS)，这意味着设备已打开但未充分利用。它包括无意中闲置的设备，这些设备在没有可见性或外部通信的情况下消耗电力

　　备份和冷却策略效率低下

　　数据中心更关注可靠性而不是效率

　　向冷却风扇添加变频驱动器 (VFD) 并最大限度地减少服务器和 UPS 的数量是降低 PUE 的两种常用方法。在过去几年中，从传统的12 V架构过渡到更高效的48 V解决方案(见图1)降低了显著的功率损耗(I2R损耗)，为功耗要求越来越高的处理系统提供了更高效的解决方案。在电源架构中使用48 V可使I2R损耗降低16倍。这有助于满足日益苛刻的能效要求，考虑到效率提高百分之一可以在整个数据中心级别节省千瓦。

　　图 1：WBG 半导体提供比硅更好的性能。(图片来源：研究门)

　　世界银行集团半导体在数据中心的优势

　　虽然硅(Si)是最知名的技术，但它的带隙比宽带隙(WBG)材料(如氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC))小，这会降低其工作温度，限制其使用在较低的电压下并降低其导热性。

　　采用更有效的功率器件，例如WBG半导体代替硅，可能是更有效的替代方案。WBG半导体，如GaN和SiC，可以克服硅技术的局限性，提供高击穿电压、高开关频率、低导通和开关损耗、更好的散热和更小的外形尺寸(见图1)。这导致电源和电源转换级的效率更高。如前所述，在数据中心中，即使效率提高一个百分点，也可以转化为可观的节能效果。

　　由

　　GaN是一类新兴的宽带隙材料，因为它的电子带隙(3.4 eV)是硅(1.1 eV)的三倍。此外，与硅相比，GaN的电子迁移率是硅的两倍。GaN在非常高的开关频率下具有众所周知的无与伦比的效率，这得益于其巨大的电子迁移率。

　　这些属性允许 氮化镓基功率器件 以更小的芯片尺寸承受更强的电场。更小的晶体管和更短的电流路径可实现超低电阻和电容，使开关速率提高多达 100 倍。

　　降低电阻和电容还可以提高电源转换效率，为数据中心的工作负载提供更多电源。每瓦特可以完成更多的数据中心操作，而不是产生更多的热量，这将需要更多的数据中心冷却。高速频率开关还减小了储能无源元件的尺寸和重量，因为每个开关周期存储的能量要少得多。GaN的另一个优点是它能够支持不同的功率转换器和电源拓扑。

　　GaN与数据中心应用相关的主要功能如下：

　　支持硬开关和软交换拓扑

　　快速导通和关断(GaN开关波形几乎与理想方波相同)

　　零反向恢复费用

　　与硅技术相比：

　　击穿场高 10 倍

　　移动性提高 2 倍

　　输出电荷降低 10 倍

　　10 倍较低的栅极电荷和线性 Coss 特性

　　这些特性使GaN功率器件能够实现以下目标的解决方案：

　　高效率、功率密度和开关频率

　　减小外形尺寸和导通电阻

　　重量轻

　　几乎无损的开关操作。

　　GaN功率器件的典型目标应用如图2所示。这些高压无桥图腾柱PFC级和高压谐振LLC级可以满足服务器SMPS的严格要求，在宽负载范围和高功率密度下实现99%以上的平坦效率。

　　图2：用于数据中心服务器的高效氮化镓开关模式电源(SMPS)(来源：英飞凌)

　　原文如此

　　从历史上看，最早的应用之一 碳化硅功率器件 在数据中心认为UPS设备。UPS对于数据中心防止电源电压故障或中断对其运营的潜在灾难性影响至关重要。电源冗余对于确保数据中心的运营连续性和可靠性至关重要。优化数据中心的功耗效率 (PUE) 是每个企业家和运营管理的首要任务。

　　数据中心需要可靠、恒定的电源。电压和频率无关(VFI)UPS系统经常被用来满足这一要求。AC/DC 转换器(整流器)、DC/AC 转换器(逆变器)和 DC 母线组成 VFI UPS 设备。旁路开关主要在维护期间使用，将UPS输出直接连接到输入端的交流电源。在主电源发生故障的情况下，电池通常由许多电池组成，连接到降压或升压转换器并为电源供电。

　　由于输入端的交流电压被转换为直流电压，然后再次转换为精确的正弦输出电压，因此这些器件通常是双转换电路。结果消除了任何电源电压变化，使UPS能够为负载提供稳定和干净的信号。除了将系统与电源隔离外，电压转换过程还可以保护负载免受电压波动的影响。

　　直到最近，采用三电平开关拓扑的绝缘栅双极晶体管(IGBT)的效率结果最好。由于这种方法实现了96%的效率水平，这是对早期基于变压器的模型的重大改进。

　　碳化硅晶体管可以显著降低(>70%)功率损耗并提高双转换UPS系统的效率。这种卓越的效率(超过98%)在低负载和重负载情况下持续存在。

　　由于碳化硅的固有特性，可以获得这种类型的结果。与传统的硅基器件(如MOSFET和IGBT)相比，SiC可以在更高的温度、频率和电压下工作。

　　基于SiC的UPS的另一个优点是更好的热损失值(或散热)，这使得可以在更高的温度下运行。此功能使设计人员能够采用更紧凑、更经济的冷却解决方案。总体而言，基于 SiC 的 UPS 比具有硅基组件的同等型号更高效、更轻、更小。

　　基于SiC的半导体由于其固有的特性，可以在比传统Si半导体更高的温度下工作。因此，由于UPS的热损失较低且能够在较高温度下运行，因此可以降低客户的冷却成本。

　　当最大化数据中心的可用占地面积时，与传统的硅基UPS相比，基于SiC的UPS减轻了重量和尺寸。此外，基于SiC的UPS需要更少的占地面积，增加了给定区域的可用功率容量。

　　结论

　　总之，WBG材料，如GaN和SiC，是新兴的半导体，将为数据中心等要求苛刻的应用中的电力电子建立新的轨迹。它们的优点包括提高系统效率、降低冷却系统要求、在更高温度下运行和提高功率密度。通过将GaN和SiC功率器件集成到电压转换器和电源中，数据中心运营商正在实现提高效率，最大化占地面积并降低整个设施运营成本的目标。