PU515A 3BSE032401R1超过该限制需要采取额外的绝缘和测试
赖工 17750010683
数字化和云服务的快速部署推动了全球数据中心的增长。数据中心消耗全球近 1% 的电力，这一数字预计还会增长。元宇宙、增强现实和虚拟现实等行业趋势将继续消耗超出地球可持续生产的能源。虽然增加可再生能源是朝着正确方向迈出的一步，但这还不够，由于服务器及其冷却系统消耗着近 40% 的数据中心运营成本，能效成为需要重点关注的另一个领域。
数据中心电源的全球标准也继续朝着更高效率的方向发展。开源计算项目（OCP）3.0 进一步优化硬件来降低能耗，80 Plus 白金和钛金认证要求以及欧盟的（ErP）Lot 9 法规也在不断发展（表 1）。
LOT 9 和 80 PLUS 的要求类似，80PLUS 钛金应用要求 PFC 峰值效率超过 98.5%。
电源架构演变
随着处理器和服务器功率的增加，数据中心每个机架也将使用更多的电源。随着更高功率密度的发展趋势，数据中心每个模块在 2-4 kW 。[i]在第一代 12 V 系统中，这一功率意味着必须处理更高的电流。向服务器提供 1 kW 的功率，传统的 12 V 架构需要提供 83 A 的电流。为了控制 I2R 损耗和解决安全问题，需要在此类系统的线束中使用更多的铜。
效率提升 1% 可使数据中心节省数千瓦功率，第二代电源架构采用 48 V，I2R 损耗降低至十六分之一，同时仍低于 UL-60950-1 标准 60 V DC 安全超低电压（SELV）限制，超过该限制需要采取额外的绝缘和测试。为了满足新的能效要求，企业数据中心电力部门因此开始采用48 V 架构。
第 2 代机架系统通常采用单独的 2-4 kW 电源模块构建，每个机架使用通过 48 V DC 电源充电的更小型不间断电源（UPS），取代了第 1 代大规模高压 UPS 和配电单元（PDU）。AC-DC 和 DC-DC 电源不仅为每块服务器主板供电，还会为 UPS 电池充电。由于将第 1 代中的负载共享和冗余移除，这便要求每个电源在接近满负荷（100%）的情况下运行。
服务器 PSU 面临的挑战
除了上述变化带来的挑战之外，值得注意的是，OCP 3.0、开放式机架 V.2（ORV）和比特币/矿机电源单元（PSU）需要从 2 kW 转至 3-4 kW 范围。由于机架制造商继续要求采用 40 mm（高）尺寸。因此电源供应商需要通过提高开关频率，减小被动元器件体积来提高功率密度、以更高效率减小功率损耗，且更低成本的散热管理满足系统散热要求。
在考虑使用半导体器件技术解决这些挑战时，必须注意带隙、临界电击穿、电子迁移率和热导率方面的差异，所有这些因素都会影响系统的峰值工作温度、电压、效率和热管理要求。
半导体解决方案
尽管硅（Si）是最常见的技术，但与氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）等宽带隙材料相比，硅的带隙较小，这限制了硅的工作温度，其较低的击穿电场限制了硅在较低电压下的使用，而较低的热导率也限制了功率密度。
为满足数据中心电源所需的高效率，功率器件的开关损耗和传导损耗都非常重要。当漏源导通电阻（RDS(ON)）较低, 并且随温度变化较小时，传导损耗（即器件的 I2R 损耗）较低。
许多设计人员都考虑使用这些技术来满足第 2 代数据中心 PSU 要求，包括 SiC、GaN 和 Si 超级结（SJ）。有趣的是，GaN 和 SJ 器件在25 °C 时都有较低的 RDS(ON)，对于数据中心电源而言，这一温度不太实际。由于 GaN 和 SJ 器件的数据手册通常规定 RDS(ON) 在 25 °C 时的值，这可能会误导工程师，让他们误以为该 RDS(ON) 是系统工作时的导通电阻。 图 2 中需要注意的另一个有趣特性是 RDS(ON) 随温度发生的变化。SiC 的曲线几乎保持平坦，但是其他技术的器件显示 RDS(ON) 显著增加，但这一变化对 GaN 来说尤其明显。由于设计人员必须在 120 °C 至 140 °C 的实际结温下使用 RDS(ON)，因此 60 mW SiC 器件的 RDS(ON) 将达到 80 mW，而 40 mW Si SJ 或 GaN 器件的 RDS(ON) 将远远超过 80 mW。
GaN 的低开关损耗 低总损耗
GaN 的高电子迁移率特性使其在非常高的开关频率下具有出色的效率，这点已经得到公认。在本文讨论的技术中，GaN 的开关损耗最低。
Wolfspeed 在图腾柱 PFC 仿真中将 60 mW SiC 器件与 50 mW GaN 器件进行了比较，发现尽管 GaN 在整个功率范围内的开关损耗略低，但这一优势都被随功率增加及之后结温升高而增加的导通损耗所抵消。
由于器件存在功率限制，GaN 测试不得不在 3 kW 停止。该研究清楚地表明，在更高功率下SiC 的总损耗显著降低。
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数字化和云服务的快速部署推动了全球数据中心的增长。数据中心消耗全球近 1% 的电力，这一数字预计还会增长。元宇宙、增强现实和虚拟现实等行业趋势将继续消耗超出地球可持续生产的能源。虽然增加可再生能源是朝着正确方向迈出的一步，但这还不够，由于服务器及其冷却系统消耗着近 40% 的数据中心运营成本，能效成为需要重点关注的另一个领域。
数据中心电源的全球标准也继续朝着更高效率的方向发展。开源计算项目（OCP）3.0 进一步优化硬件来降低能耗，80 Plus 白金和钛金认证要求以及欧盟的（ErP）Lot 9 法规也在不断发展（表 1）。
LOT 9 和 80 PLUS 的要求类似，80PLUS 钛金应用要求 PFC 峰值效率超过 98.5%。
电源架构演变
随着处理器和服务器功率的增加，数据中心每个机架也将使用更多的电源。随着更高功率密度的发展趋势，数据中心每个模块在 2-4 kW 。[i]在第一代 12 V 系统中，这一功率意味着必须处理更高的电流。向服务器提供 1 kW 的功率，传统的 12 V 架构需要提供 83 A 的电流。为了控制 I2R 损耗和解决安全问题，需要在此类系统的线束中使用更多的铜。
效率提升 1% 可使数据中心节省数千瓦功率，第二代电源架构采用 48 V，I2R 损耗降低至十六分之一，同时仍低于 UL-60950-1 标准 60 V DC 安全超低电压（SELV）限制，超过该限制需要采取额外的绝缘和测试。为了满足新的能效要求，企业数据中心电力部门因此开始采用48 V 架构。
第 2 代机架系统通常采用单独的 2-4 kW 电源模块构建，每个机架使用通过 48 V DC 电源充电的更小型不间断电源（UPS），取代了第 1 代大规模高压 UPS 和配电单元（PDU）。AC-DC 和 DC-DC 电源不仅为每块服务器主板供电，还会为 UPS 电池充电。由于将第 1 代中的负载共享和冗余移除，这便要求每个电源在接近满负荷（100%）的情况下运行。
服务器 PSU 面临的挑战
除了上述变化带来的挑战之外，值得注意的是，OCP 3.0、开放式机架 V.2（ORV）和比特币/矿机电源单元（PSU）需要从 2 kW 转至 3-4 kW 范围。由于机架制造商继续要求采用 40 mm（高）尺寸。因此电源供应商需要通过提高开关频率，减小被动元器件体积来提高功率密度、以更高效率减小功率损耗，且更低成本的散热管理满足系统散热要求。
在考虑使用半导体器件技术解决这些挑战时，必须注意带隙、临界电击穿、电子迁移率和热导率方面的差异，所有这些因素都会影响系统的峰值工作温度、电压、效率和热管理要求。
半导体解决方案
尽管硅（Si）是最常见的技术，但与氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）等宽带隙材料相比，硅的带隙较小，这限制了硅的工作温度，其较低的击穿电场限制了硅在较低电压下的使用，而较低的热导率也限制了功率密度。
为满足数据中心电源所需的高效率，功率器件的开关损耗和传导损耗都非常重要。当漏源导通电阻（RDS(ON)）较低, 并且随温度变化较小时，传导损耗（即器件的 I2R 损耗）较低。
许多设计人员都考虑使用这些技术来满足第 2 代数据中心 PSU 要求，包括 SiC、GaN 和 Si 超级结（SJ）。有趣的是，GaN 和 SJ 器件在25 °C 时都有较低的 RDS(ON)，对于数据中心电源而言，这一温度不太实际。由于 GaN 和 SJ 器件的数据手册通常规定 RDS(ON) 在 25 °C 时的值，这可能会误导工程师，让他们误以为该 RDS(ON) 是系统工作时的导通电阻。 图 2 中需要注意的另一个有趣特性是 RDS(ON) 随温度发生的变化。SiC 的曲线几乎保持平坦，但是其他技术的器件显示 RDS(ON) 显著增加，但这一变化对 GaN 来说尤其明显。由于设计人员必须在 120 °C 至 140 °C 的实际结温下使用 RDS(ON)，因此 60 mW SiC 器件的 RDS(ON) 将达到 80 mW，而 40 mW Si SJ 或 GaN 器件的 RDS(ON) 将远远超过 80 mW。
GaN 的低开关损耗 低总损耗
GaN 的高电子迁移率特性使其在非常高的开关频率下具有出色的效率，这点已经得到公认。在本文讨论的技术中，GaN 的开关损耗最低。
Wolfspeed 在图腾柱 PFC 仿真中将 60 mW SiC 器件与 50 mW GaN 器件进行了比较，发现尽管 GaN 在整个功率范围内的开关损耗略低，但这一优势都被随功率增加及之后结温升高而增加的导通损耗所抵消。
由于器件存在功率限制，GaN 测试不得不在 3 kW 停止。该研究清楚地表明，在更高功率下SiC 的总损耗显著降低。
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