2014年，數據中心（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公司（NRDC）預計到2020年
，數據中心電力消費量每年將增至約1400億千瓦時，相當於50個發電站的年產量。

 

支持這一快速增長需求所需電力來自我們的電網，並經過多次轉換階段
，然後其才真正地將剩餘能量饋進數字半導體芯片。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 – 從發電廠到所有工作的計算機芯片。

 

將這些效能數字相乘顯示，電網需要提供150瓦功率以滿足可能僅需要100瓦的數字芯片的需求。因此，在整個美國，由於服務器用電源轉換造成的總浪費電量為330億yi千qian瓦wa時shi，這zhe幾ji乎hu相xiang當dang於yu十shi幾ji個ge發fa電dian廠chang產chan出chu的de電dian量liang。但dan是shi，服fu務wu器qi場chang中zhong浪lang費fei的de總zong電dian量liang更geng多duo，因yin為wei通tong過guo電dian源yuan轉zhuan換huan的de每mei瓦wa功gong率lv損sun耗hao實shi際ji上shang是shi被bei轉zhuan換huan成cheng熱re能neng的de能neng量liang，而er除chu去qu該gai熱re能neng需xu要yao更geng多duo功gong率lv。

 

圖1：現代服務器場中使用的典型多級功率變換結構
，它從電網中汲取150瓦的功率，為服務器中使用的數字處理器提供100瓦的電能。

 

然(ran)而(er)

，電(dian)網(wang)已(yi)經(jing)存(cun)在(zai)了(le)一(yi)個(ge)多(duo)世(shi)紀(ji)
，基(ji)於(yu)二(er)戰(zhan)後(hou)開(kai)發(fa)的(de)半(ban)導(dao)體(ti)技(ji)術(shu)已(yi)構(gou)建(jian)轉(zhuan)換(huan)的(de)各(ge)個(ge)階(jie)段(duan)。這(zhe)些(xie)半(ban)導(dao)體(ti)基(ji)於(yu)矽(gui)晶(jing)體(ti)
，正(zheng)是(shi)矽(gui)的(de)性(xing)能(neng)和(he)局(ju)限(xian)性(xing)形(xing)成(cheng)了(le)圖(tu)1所示架構。

 

在本文中，我們將演示基於增強型氮化镓（eGaN®技術）的電源轉換器的優點，其現有數據中心和集中於低至1V_DC負載電壓的48 V_DC輸入電壓所用的電信架構解決方案。我們將探討高性能GaNgonglvjingtiguandenengli
，yishiyongxinfangfayigenggaoxiaolvhegenggaogonglvmiduweigonglvshujuzhongxinhedianxinxitongtigongdianyuan。cifangfazaixiaolvhegonglvmidufangmiandoubixianqiandejiyuSi MOSFET的架構更高。

 

從48 V_IN– 1 V_OUT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量級的提高。在型電源模塊足跡中
，現行設計從約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的係數增加，而且不用降低總線電阻，隨後的總線傳導損耗中會以2的數量級增加。相比傳統的IBA係統中的矽基解決方案，GaN基技術的解決方案已證明其效率顯著提高。

 

然而
，隨著48 V_IN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，現可考慮不同的體係結構，如使用非隔離型POL轉換器從48 V_IN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。

 

傳統型降壓轉換器可作為第一種方法來評估將48 V_IN直接轉換為1 V_OUT。降壓轉換器的拓撲結構最簡單，而且是絕大多數現有12 V_IN係統采用的做法。對於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）可選定用於具有更高降壓比的應用。TI采用的第二種方法是將48 V_IN直接轉換到1 V_OUT
，其采用基於變壓器的設計來提高轉換器效率。一個基於LMG5200 GaN的半橋被用於48 V_IN輸入側，而四個30 V EPC2023 eGaN FET被用於低電壓輸出側。

 

兩種48 V_IN至1 V_OUT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係的效率，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84％的最高效率，而在20 A條件下，實現的效率約為83.5％。降壓構件（不包括控製器）的功率密度約為300 W/in3。對於600 kHz條件下操作的基於變壓器的方法，可實現超過90％的效率
，而在50 A輸出電流條件下，可實現近88％的效率。對於基於變壓器的構件（不包括控製器），功率密度為約80 W/in3。

 

圖3：基於eGaN POL轉換器的效率和功率密度，V_IN = 48 V至V_OUT = 1V。

 

使用圖4所示的基於GaN技術的最佳設計，對比單級48 V_IN至1 V_OUT的POL轉換器和傳統兩級IBA法的預計效率和功率密度，並在表1總結（矽基解決方案遠不及這些基於GaN技術的解決方案有效）。基於GaN集成電路的IBA電源轉換器比基於降壓的方法的48 V_IN〜1 V_OUT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，總體係統效率極其相似。傳統IBA法和48 V_IN直接轉換基於降壓的方法也有類似的功率密度。對於48 V_IN基於變壓器的方法
，係統效率比傳統IBA法高出7％
，該係統具有低功率密度，比常規IBA基於GaN的方法低約三分之一。

 

DC總線架構還具有潛在的成本優勢
，因為IBC的成本可省去。而48 V_IN POL轉換器與12 V_IN 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、控製器和驅動程序的數量類似。

 

圖4：基於GaN技術的48 V_IN中間總線架構和48 V_IN DC總線架構的性能對比

 

(a) 縮放到500瓦的輸出功率。

 

表1：48 V_IN中間總線架構和48 V_IN DC總線架構的性能對比總結

 

圖5中，我們在基於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

，這取決於基於GaN的方法。與矽基解決方案對比時
，這關聯到每年直接節約的多達210億千瓦時的電能。當服務器場中的空調能源成本增加時，還可節約更多電能，僅在美國可將總節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省電能所造成的影響甚至比後矽世界中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
，重新開啟了推動創新的摩爾定律的可能性——就像摩爾定律超出常規一樣。例如，eGaN技術實現了許多新應用
，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
，隨著電子行業在固有屬性中獲得的高性能功能能力的經驗和知識
，由此產生的高性能eGaN半導體設備將實現很多不可預見的應用，就像二戰後時代帶來的此應用的前身——矽。

 

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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