Semiconductorii cu bandă interzisă largă asigură eficiența în centrele de date

Centrele de date au un rol crucial și esențial în lumea din ce în ce mai digitală, conectată și virtualizată. Pentru că centrele de date au cerințe energetice uriașe, sunt necesare soluții de alimentare care pot reduce pierderile de energie, pot crește eficiența și pot îmbunătăți controlul termic.

Traficul pe internet a crescut considerabil în ultima vreme datorită numărului mai mare de utilizatori, a utilizării pe scară largă a dispozitivelor mobile și a rețelelor de socializare, precum și a stocării la distanță a informațiilor în cloud. Potrivit analiștilor, creșterea acestui trafic încă nu a ajuns la saturație completă.

Aceste previziuni de creștere ridică întrebări cu privire la eficiența echipamentelor și la consumul de energie electrică, ceea ce stimulează dezvoltarea de noi tehnologii de conversie a energiei cu consum redus de energie, cum ar fi cele oferite de dispozitivele de alimentare cu bandă interzisă largă (WBG).

Eficiența este extrem de importantă

Pe lângă infrastructura fizică, un centru de date este o structură care găzduiește servere de computere în rețea pentru procesarea, stocarea și distribuirea electronică a datelor. Componenta cheie a unui centru de date este serverul, un dispozitiv care stochează datele care alimentează internetul, sistemul de cloud computing și intranet-urile companiilor.

Cererea de energie este în creștere din cauza volumului tot mai mare de date digitale create, procesate și stocate. Pe lângă alimentarea rack-urilor, a unităților de stocare a datelor și a rețelelor, centrele de date au nevoie și de echipamente auxiliare de răcire și ventilație pentru a elimina căldura produsă în timpul procesării datelor și al conversiei energiei electrice.

Structura tipică a sistemului de conversie a energiei utilizat într-un centru de date cuprinde mai multe convertoare de tensiune c.a./c.c., c.c./c.a. și c.c./c.c., de care depinde în mod strict eficiența întregului centru de date. Reducerea pierderilor în convertoarele care alimentează dispozitivele de procesare și stocare a datelor prezintă două avantaje esențiale. În primul rând, nu mai este nevoie să se furnizeze energia care nu este transformată în căldură; în al doilea rând, există o reducere a energiei necesare pentru eliminarea căldurii reziduale.

Eficiența centrelor de date este adesea măsurată cu ajutorul parametrului PUE (eficacitatea de utilizare a energiei). Dezvoltat de The Green Grid ca o modalitate standard de a compara consumul de energie al centrelor de date, PUE este definit ca fiind raportul general dintre consumul total de energie al centrului de date și consumul de energie al echipamentelor de tehnologie a informației (IT).

Măsura PUE este o statistică suficient de elementară pentru a identifica domeniile în care este necesară dezvoltarea. Deși nu este o măsurătoare perfectă, a devenit un standard al industriei. În mod ideal, PUE ar trebui să fie aproape de unitate, ceea ce înseamnă că centrul de date are nevoie de energie electrică doar pentru a susține cererea IT. Cu toate acestea, conform National Renewable Energy Laboratory (NREL)2, PUE-ul mediu este de aproximativ 1,8. Valorile PUE ale centrelor de date variază foarte mult, dar centrele de date axate pe eficiență ating frecvent valori PUE de 1,2 sau mai puțin.

Un PUE ridicat poate avea cauze diferite, cum ar fi:

• Serverele „zombi” (sau „comatoase”) și sursele de alimentare neîntreruptibile (UPS), adică echipamente pornite, dar care nu sunt utilizate pe deplin. Cuprinde dispozitive neintenționat inactive care consumă energie electrică fără vizibilitate sau comunicații externe
• Strategii ineficiente de rezervă și de răcire
• Centrele de date se concentrează mai mult pe fiabilitate decât pe eficiență

Adăugarea de unități cu frecvență variabilă (VFD) la ventilatoarele de răcire și reducerea la minimum a numărului de servere și UPS-uri sunt două metode comune de reducere a PUE. În ultimii ani, tranziția de la arhitecturile vechi de 12 V la soluții mai eficiente de 48 V (consultați Figura 1) a redus pierderile semnificative de energie (pierderi I2R), oferind soluții mai eficiente pentru sistemele de procesare cu cerințe tot mai mari de putere. Utilizarea a 48 V în arhitectura de putere duce la pierderi I2R de șaisprezece ori mai mici. Acest lucru ajută la îndeplinirea cerințelor de eficiență energetică din ce în ce mai exigente, având în vedere că o îmbunătățire a eficienței cu un procent poate economisi kilowați la nivelul întregului centru de date.

Figura 1: semiconductoarele WBG oferă performanțe mai bune decât siliciul. (Sursa imaginii: Researchgate)

Beneficiile semiconductoarelor WBG în centrele de date

Deși siliciul (Si) este cea mai cunoscută tehnologie, acesta are o bandă interzisă mai mică decât materialele cu bandă interzisă largă (WBG), cum ar fi nitrura de galiu (GaN) și carbura de siliciu (SiC), ceea ce îi scade temperatura de funcționare, îi limitează utilizarea la tensiuni mai mici și îi reduce conductivitatea termică.

Adoptarea unor dispozitive de alimentare mai eficiente, cum ar fi semiconductoarele WBG în locul siliciului, poate fi o alternativă mai eficientă. Semiconductoarele WBG, cum ar fi GaN și SiC, permit depășirea limitelor tehnologiei siliciului, oferind tensiuni de străpungere ridicate, frecvențe de comutație ridicate, pierderi de conducție și de comutație reduse, o mai bună disipare a căldurii și un factor de formă mai mic (consultați Figura 1). Acest lucru rezultă într-o eficiență mai mare a etapelor de alimentare și de conversie a puterii. După cum s-a menționat anterior, într-un centru de date, o creștere a eficienței chiar și cu un singur punct procentual se poate traduce în economii substanțiale de energie.

GaN

GaN este o clasă emergentă de materiale cu bandă interzisă largă, deoarece are o bandă interzisă a electronilor de trei ori mai mare (3,4 eV) decât cea a siliciului (1,1 eV). În plus, GaN are o mobilitate a electronilor de două ori mai mare decât cea a siliciului. Eficiența binecunoscută și de neegalat a GaN la frecvențe de comutare foarte ridicate este posibilă datorită mobilității extraordinare a electronilor săi.

Aceste proprietăți permit dispozitivelor de alimentare pe bază de GaN să reziste la câmpuri electrice mai puternice într-o matrice de dimensiuni mai mici. Tranzistoarele mai mici și traseele de curent mai scurte duc la o rezistență și o capacitate ultra-reduse, permițând rate de comutare de până la 100 de ori mai rapide.

De asemenea, rezistența și capacitatea reduse sporesc și eficiența conversiei de energie, oferind mai multă energie pentru sarcinile de lucru din centrele de date. În loc să producă mai multă căldură, ceea ce ar necesita mai multă răcire pentru centrul de date, se pot efectua mai multe operațiuni în centrul de date per watt. Comutarea la frecvență de mare viteză reduce, de asemenea, dimensiunea și greutatea componentelor pasive care stochează energie, deoarece fiecare ciclu de comutare stochează mult mai puțină energie. Un alt avantaj al GaN este capacitatea sa de a accepta diferite topologii de convertoare de putere și de surse de alimentare.

Caracteristicile cheie ale GaN relevante pentru aplicațiile din centrele de date sunt următoarele:

• Suport pentru topologii de comutare hard și soft
• Activare și dezactivare rapidă (forma de undă de comutare GaN este aproape identică cu unda pătrată ideală)
• Sarcină de recuperare inversă zero
• În comparație cu tehnologia Si:
  • Câmp de străpungere de 10 ori mai mare
  • Mobilitate de 2 ori mai mare
  • Sarcină de ieșire de 10 ori mai mică
  • Sarcina de poartă de 10 ori mai mică și caracteristica Coss liniară

Aceste caracteristici permit dispozitivelor de alimentare GaN să realizeze soluții cu următoarele atribute:

• Eficiență, densitate de putere și frecvențe de comutare ridicate
• Factor de formă redus și rezistență la pornire redusă
• Greutate redusă
• Funcționare de comutare aproape fără pierderi.

În Figura 2 este prezentată o aplicație țintă tipică pentru dispozitivele de putere GaN. Aceste etape PFC fără punte de înaltă tensiune și etape LLC rezonante de înaltă tensiune cu pol de ieșire în contratimp pot îndeplini cerințele stricte ale SMPS pentru servere, atingând o eficiență de peste 99% pe o gamă largă de sarcini și o densitate de putere ridicată.

Figura 2: sursă de alimentare în mod comutat (SMPS) GaN de înaltă eficiență pentru serverele centrelor de date (Sursa: Infineon)

SiC

De-a lungul timpului, una dintre primele aplicații ale dispozitivelor de alimentare SiC în centrele de date a fost legată de echipamentele UPS. UPS-ul este esențial pentru centrele de date pentru a preveni efectele potențial dezastruoase ale unei defecțiuni sau întreruperi a tensiunii de rețea asupra operațiunilor lor. Redundanța sursei de alimentare este esențială pentru a asigura continuitatea și fiabilitatea operațională a unui centru de date. Optimizarea eficacității consumului de energie (PUE) a centrului de date este o prioritate primară a fiecărui antreprenor și a conducerii operațiunilor.

O sursă de energie fiabilă și constantă este necesară pentru un centru de date. Pentru îndeplinirea acestei cerințe se folosesc frecvent sistemele UPS independente de tensiune și frecvență (VFI). Un convertor c.a./c.c. (redresor), un convertor c.c./c.a. (invertor) și o legătură c.c. alcătuiesc un dispozitiv UPS VFI. Un comutator de bypass, utilizat în principal în timpul întreținerii, conectează ieșirea UPS direct la sursa de alimentare c.a. de la intrare. În cazul unei întreruperi a alimentării de la rețea, bateria, alcătuită de obicei din mai multe celule, se conectează la un convertor de coborâre sau de ridicare și alimentează sursa de alimentare.

Deoarece tensiunea alternativă de la intrare este transformată în tensiune continuă și apoi din nou într-o tensiune de ieșire sinusoidală precisă, aceste dispozitive sunt, de obicei, circuite cu dublă conversie. Rezultatul elimină orice variație a tensiunii de alimentare, permițând UPS-ului să furnizeze sarcinii un semnal constant și curat. Pe lângă faptul că izolează sistemul de sursa de alimentare, procesul de conversie a tensiunii protejează sarcina de fluctuațiile de tensiune.

Până de curând, tranzistoarele bipolare cu poartă izolată (IGBT) cu topologii de comutare pe trei niveluri au avut cele mai bune rezultate în ceea ce privește eficiența. Datorită acestei abordări, s-au obținut niveluri de eficiență de 96%, ceea ce reprezintă o îmbunătățire semnificativă față de modelele anterioare bazate pe transformatoare.

Tranzistoarele din carbură de siliciu au făcut posibilă reducerea semnificativă (> 70%) a pierderilor de putere și creșterea eficienței în sistemele UPS cu conversie dublă. Această eficiență remarcabilă (peste 98%) persistă în timpul scenariilor de sarcină redusă și sarcină ridicată.

Rezultatele de acest tip pot fi obținute datorită proprietăților intrinseci ale carburii de siliciu. În comparație cu dispozitivele tradiționale pe bază de siliciu, cum ar fi MOSFET-urile și IGBT-urile, SiC poate funcționa la temperaturi, frecvențe și tensiuni mai mari.

Un avantaj suplimentar al UPS pe bază de SiC este o valoare mai bună a pierderii de căldură (sau respingerea căldurii), ceea ce permite funcționarea la temperaturi mai ridicate. Această caracteristică permite proiectanților să adopte soluții de răcire mai compacte și mai economice. În general, un UPS pe bază de SiC este mai eficient, mai ușor și mai mic decât un model echivalent cu componente pe bază de siliciu.

Datorită proprietăților lor inerente, semiconductorii pe bază de SiC pot funcționa la temperaturi mai ridicate decât semiconductorii Si tradiționali. Astfel, costurile de răcire ale clientului pot fi reduse datorită pierderilor mai mici de căldură și capacității UPS-ului de a funcționa la temperaturi mai ridicate.

Atunci când se maximizează spațiul la sol disponibil într-un centru de date, un UPS pe bază de SiC reduce greutatea și dimensiunea în comparație cu UPS-ul convențional pe bază de Si. În plus, un UPS pe bază de SiC necesită mai puțin spațiu la sol, ceea ce crește capacitatea de alimentare disponibilă într-o anumită zonă.

Concluzie

În concluzie, materialele WBG, precum GaN și SiC, sunt semiconductori emergenți care vor stabili o nouă traiectorie pentru electronica de putere în aplicații solicitante, cum ar fi centrele de date. Printre avantajele acestora se numără o eficiență sporită a sistemului, cerințe mai mici privind sistemul de răcire, funcționarea la temperaturi mai ridicate și o densitate de putere mai mare. Odată cu integrarea dispozitivelor de alimentare GaN și SiC în convertoarele de tensiune și sursele de alimentare, operatorii centrelor de date își ating obiectivele de a obține o eficiență mai mare, de a maximiza spațiul la sol și de a reduce costurile de operare în întreaga instalație.