【導讀】人類社會對信息的需求正以前所未有的速度增長。隨著諸如云計算和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）這些新興技術的發(fā)展，更快地接觸更多的信息這一趨勢并未顯示任何放緩跡象。高速率傳輸信息成為可能得益于機架和服務器機架，它們多數(shù)處于集中式數(shù)據(jù)中心。
2014年，數(shù)據(jù)中心（設在美國）所消耗的能量約為1000億千瓦時（kWh），而國家科學研究開發(fā)公司（NRDC）預計到2020年，數(shù)據(jù)中心電力消費量每年將增至約1400億千瓦時，相當于50個發(fā)電站的年產(chǎn)量。
支持這一快速增長需求所需電力來自我們的電網(wǎng)，并經(jīng)過多次轉換階段，然后其才真正地將剩余能量饋進數(shù)字半導體芯片。圖1所示為這一“旅程”的圖解。該圖中還顯示由傳輸和電力轉換造成的損失 – 從發(fā)電廠到所有工作的計算機芯片。
將這些效能數(shù)字相乘顯示，電網(wǎng)需要提供150瓦功率以滿足可能僅需要100瓦的數(shù)字芯片的需求。因此，在整個美國，由于服務器用電源轉換造成的總浪費電量為330億千瓦時，這幾乎相當于十幾個發(fā)電廠產(chǎn)出的電量。但是，服務器場中浪費的總電量更多，因為通過電源轉換的每瓦功率損耗實際上是被轉換成熱能的能量，而除去該熱能需要更多功率。
圖1：現(xiàn)代服務器場中使用的典型多級功率變換結構，它從電網(wǎng)中汲取150瓦的功率，為服務器中使用的數(shù)字處理器提供100瓦的電能。
然而，電網(wǎng)已經(jīng)存在了一個多世紀，基于二戰(zhàn)后開發(fā)的半導體技術已構建轉換的各個階段。這些半導體基于硅晶體，正是硅的性能和局限性形成了圖1所示架構。
在本文中，我們將演示基于增強型氮化鎵（eGaN®技術）的電源轉換器的優(yōu)點，其現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心和集中于低至1VDC負載電壓的48 VDC輸入電壓所用的電信架構解決方案。我們將探討高性能GaN功率晶體管的能力，以使用新方法以更高效率和更高功率密度為功率數(shù)據(jù)中心和電信系統(tǒng)提供電源。此方法在效率和功率密度方面都比先前的基于Si MOSFET的架構更高。
從48 VIN– 1 VOUT直接獲取
自采用12 V中間總線架構（IBA）以來，此總線轉換器在輸出功率中正接近數(shù)量級的提高。在型電源模塊足跡中，現(xiàn)行設計從約100W增至約1千瓦。這意味著至POL轉換器的12V總線上的電流量以10的系數(shù)增加，而且不用降低總線電阻，隨后的總線傳導損耗中會以2的數(shù)量級增加。相比傳統(tǒng)的IBA系統(tǒng)中的硅基解決方案，GaN基技術的解決方案已證明其效率顯著提高。
然而，隨著48 VIN總線轉換器的轉換損耗不斷增加，主板上不斷攀升的12V總線損及GaN技術更高的性能，現(xiàn)可考慮不同的體系結構，如使用非隔離型POL轉換器從48 VIN直接進入負載，如圖2底部所示。
圖2：中間總線架構（IBA）和直接轉換DC總線結構。
傳統(tǒng)型降壓轉換器可作為第一種方法來評估將48 VIN直接轉換為1 VOUT。降壓轉換器的拓撲結構最簡單，而且是絕大多數(shù)現(xiàn)有12 VIN系統(tǒng)采用的做法。對于48 V輸入，在EPC9041演示板中嵌入的80V eGaN單片式半橋集成電路（EPC2105）可選定用于具有更高降壓比的應用。TI采用的第二種方法是將48 VIN直接轉換到1 VOUT，其采用基于變壓器的設計來提高轉換器效率。一個基于LMG5200 GaN的半橋被用于48 VIN輸入側，而四個30 V EPC2023 eGaN FET被用于低電壓輸出側。
兩種48 VIN至1 VOUT設計的高效率和功率密度如圖3所示。降壓轉換器的效率是整個動力傳動系的效率，包括電感器（Würth Elektronik 744 301 033）、電容器和印刷電路板損失。在300kHz的開關頻率條件下，可實現(xiàn)84％的最高效率，而在20 A條件下，實現(xiàn)的效率約為83.5％。降壓構件（不包括控制器）的功率密度約為300 W/in3。對于600 kHz條件下操作的基于變壓器的方法，可實現(xiàn)超過90％的效率，而在50 A輸出電流條件下，可實現(xiàn)近88％的效率。對于基于變壓器的構件（不包括控制器），功率密度為約80 W/in3。
圖3：基于eGaN POL轉換器的效率和功率密度，VIN = 48 V至VOUT = 1V。
使用圖4所示的基于GaN技術的最佳設計，對比單級48 VIN至1 VOUT的POL轉換器和傳統(tǒng)兩級IBA法的預計效率和功率密度，并在表1總結（硅基解決方案遠不及這些基于GaN技術的解決方案有效）。基于GaN集成電路的IBA電源轉換器比基于降壓的方法的48 VIN?1 VOUT直接轉換預計會有1.5％的效率提升。然而，當12V總線的損失增加約2%時，總體系統(tǒng)效率極其相似。傳統(tǒng)IBA法和48 VIN直接轉換基于降壓的方法也有類似的功率密度。對于48 VIN基于變壓器的方法，系統(tǒng)效率比傳統(tǒng)IBA法高出7％，該系統(tǒng)具有低功率密度，比常規(guī)IBA基于GaN的方法低約三分之一。
DC總線架構還具有潛在的成本優(yōu)勢，因為IBC的成本可省去。而48 VIN POL轉換器與12 VIN POL轉換器相比，增加的成本將降至最低，因為它們使用的電源裝置、控制器和驅動程序的數(shù)量類似。
圖4：基于GaN技術的48 VIN中間總線架構和48 VIN DC總線架構的性能對比
(a) 縮放到500瓦的輸出功率。
表1：48 VIN中間總線架構和48 VIN DC總線架構的性能對比總結
圖5中，我們在基于eGaN FET和集成電路的設計中應用單級效率的同時需要重新查看圖1內容。通過省去服務器場電源架構末級所獲得的直接節(jié)省電能不僅降低了成本，而且還降低7%到15%不等的功耗，這取決于基于GaN的方法。與硅基解決方案對比時，這關聯(lián)到每年直接節(jié)約的多達210億千瓦時的電能。當服務器場中的空調能源成本增加時，還可節(jié)約更多電能，僅在美國可將總節(jié)約電能降至服務器所耗1400億千瓦時的近25％。
結論
當今美國服務器場中可能的節(jié)省電能所造成的影響甚至比后硅世界中eGaN技術的影響更大，而此影響的一個示例是這一新興技術可有效使用電力。eGaN技術為更高性能的半導體提供了一個途徑，重新開啟了推動創(chuàng)新的摩爾定律的可能性——就像摩爾定律超出常規(guī)一樣。例如，eGaN技術實現(xiàn)了許多新應用，如無線電力傳輸、5G蜂窩技術、自主車輛和結腸鏡檢查丸劑。而且，隨著電子行業(yè)在固有屬性中獲得的高性能功能能力的經(jīng)驗和知識，由此產(chǎn)生的高性能eGaN半導體設備將實現(xiàn)很多不可預見的應用，就像二戰(zhàn)后時代帶來的此應用的前身——硅。
eGaN®FET是Efficient Power Conversion公司的注冊商標。
一般參考
[1] D. REUSCH和J.Glaser，DC-DC轉換器手冊，電源轉換出版物，2015年，ISBN 978-0-9966492-0-9
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