用于数据中心的 GaN 技术

在第一部分，我们研究了数据中心架构，并介绍了氮化镓 (GaN) 功率 IC 及其在第二次电力电子革命中的作用。现在，让我们看看数据中心本身内支持 GaN 的高效硬件。

具有交流输入的 GaN

对于传统的 AC-in 架构，GaN 可用于高频软开关拓扑。对于功率因数校正 (PFC) 级，传统的硬开关、低频 (47 kHz) 升压升级为软开关 MHz“图腾柱”，DC-DC 级也以类似方式升级。图 1 显示了“全 GaN”3.2 kW 方法的示例，具有 MHz 图腾柱 PFC，然后是 MHz LLC。Navitas 650 V GaN 用于 PFC 和 DC-DC 初级，EPC 80 V GaN 用于 DC-DC 次级侧整流。该设计尺寸仅为 1U x 2U x 210 mm (800 cc)，功率密度为 4 W/cc (65 W/in 3 )。

图 1：3.2 kW AC-54V 转换器；用于 MHz 图腾柱 PFC 和 MHz LLC 初级的 650V GaNFast 功率 IC，带有用于 LLC 次级整流的 100V GaN FET。[北卡罗来纳州立大学和德克萨斯大学奥斯汀分校]

在业界，Eltek（台达电子）于2017年发布了3千瓦Flatpack2 SHE [i]；GaN 基 AC-48/54/60 V 电源系列中的第一个，与早期的硅转换器相比，它实现了 98% 的效率和 50% 的损耗降低。

具有 400 V DC (HVDC) 输入的GaN

对于 HVDC，从欧姆定律推导出的基本方程是“功率损耗 = I 2 R”，因此对于每个配电网络或连接器，保持尽可能高的电压可以最大限度地减少给定功率的电流，从而减少损耗。HVDC 在数据中心的概念并不新鲜；NTT 早在 1999 年就开始工作[ii]，随后是劳伦斯伯克利国家实验室在 2006 年[iii]和英特尔在 2007 年[iv]。然而，数据中心市场保守，变化缓慢。电力成本（以美元/千瓦时为单位）、遵守《巴黎协定》的“净零”碳排放目标以及使用新技术来放大架构变化的优势等因素正在加速采用，即 Si-to -氮化镓。

对于 HVDC 网络，我们可以使用传统 AC-48 V直流电源的后 PFC DC-DC“后端”，或者转向更优化、更精细的方法，其中功率可以转换为 300 W 的整数（或类似）并位于距离负载最近的点——从而在最高电压下最大化最长路径。

在比较一流的硅生产设计 (100 W) 和需要堆叠 PCB 和大型散热器的硅原型 (300 W) 时，GaN 在此类模块化设计中的优势显而易见。图 2 显示了这些硅设计以及使用 NV6117 GaNFast 电源 IC 的新型 400 V、300 W 单 PCB 设计，该设计遵循行业标准的“DOSA”1/4 砖封装和引出线，便于安装和升级。在 330-425 V DC的宽范围内输入，以及从 -40°C 到 +100°C 的工作温度，GaN 转换器在仅 30 cc 的情况下提供完整的 300W 功率而不会降额。这意味着 10 W/cc 的世界一流功率密度，比任何其他符合 DOSA 标准的量产高压 1/4 砖转换器高 2 倍的功率。当前的 300W 设计在创纪录的 400 kHz 工作频率下使用经过行业验证的硬开关半桥拓扑，在满载时效率高达 94.5%。使用软开关拓扑，可以在 1/4 砖中实现超过 1 MHz 的功率密度目标，并进一步达到 1 kW 的功率密度目标。

图 2：400 V ¼ 砖设计：使用 Navitas NV6117 GaNFast 功率 IC 的单 PCB GaN 设计的功率密度 (W/cc) 是任何基于硅的转换器的 2 倍。[纳维达]

从 48 V 到负载的 GaN

对于低压配电网络，从 12 V 升级到 48 V 意味着配电损耗减少 16 倍。这种变化是由 IBM 等公司在 2007 年的 Blue Gene/P 超级计算机和 Google 于 2014 年在其香港数据中心率先推出的。随着 GPU 所需功率的增加，NVIDIA 也将其 GPU 模块输入轨从 12 V 至 48 V – 这一变化已扩展到高端笔记本电脑，配备使用 GaNFast 电源 IC 的匹配 300 W AC-48V 适配器。

从 ~48 V 到 CPU、GPU 和内存，可以部署低压 GaN (<=80 V)。对于 48 V – 6 V 下变频，GaN 从 27 x 18 mm 开放式框架 DCX (LLC) 以超过 100 W/cc (1700 W/in 3 ) 的功率实现 300 W。获得处理器电压（在 100A 以上时低至 0.6V）需要 48V-1.xV 的新拓扑，或者采用由 Intel Haswell 处理器开创并以类似方式先进的新型全集成稳压器“FIVR”拓扑-集成的高频解决方案，如 Empower IVR。

GaN 接管（总结）

随着数据中心流量的加速，硅有效地处理功率的能力击中了“物理材料”的障碍，而旧的、缓慢的硅芯片被高速氮化镓超越。数据中心硬件的整合、新的 HVDC 架构方法以及量产、高度集成的 GaN 电源 IC 经验证的可靠性，可显着提高效率。这种“快进”意味着向整个电力电子和数据中心行业的碳“净零”目标又迈进了一步。

审核编辑 黄昊宇