引言

近年來，電信市場正在朝云計(jì)算的方向轉(zhuǎn)變，這導(dǎo)致超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心空前快速的增長，而每個(gè)機(jī)架需要處理的功能也越來越多。

反過來，這種趨勢也意味著對(duì)功率的需求快速增加，而重點(diǎn)則是采用消耗更少電力的更高效、體積更緊湊的電源。散熱同樣是這里需要考慮的另一個(gè)基本要素，目的是盡可能減少對(duì)于冷卻元件的需求。隨著每個(gè)機(jī)架的功率需求猛增到20kW甚至更高，產(chǎn)業(yè)中已經(jīng)呈現(xiàn)的趨勢是從傳統(tǒng)的12V電源轉(zhuǎn)移到48V，從而能夠減少損耗。但是，這些還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，需要更多的改進(jìn)。

同時(shí)，電信應(yīng)用也要求更大的功率和更高的效率，尤其是需要支持最近推出的5G。電信設(shè)備主要以-48V的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)供電，而電源的輸出范圍通常為40V～60V。

盡管現(xiàn)有基于硅(Si)的解決方案在效率和密度上都在穩(wěn)步提高，但是通過這種技術(shù)所能達(dá)到的目標(biāo)非常有限，而氮化鎵(GaN)器件則被越來越多地用來滿足服務(wù)器和電信市場在密度和效率方面非常具有挑戰(zhàn)性的要求。

氮化鎵器件具有許多比硅器件更有優(yōu)勢的電氣特性。首先，氮化鎵高電子遷移率晶體管(HEMT)具有低一個(gè)數(shù)量級(jí)的柵極電荷和輸出電荷，以及幾乎為零的反向恢復(fù)電荷。所有這些使反向?qū)ㄆ骷挠矒Q向(hard commutation)成為可能，因此可以采用更簡單的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，例如具有梯形波電流調(diào)制的圖騰柱PFC級(jí)。

通過降低開關(guān)損耗，并允許更高的開關(guān)頻率，在許多應(yīng)用中，氮化鎵器件可以提供比硅器件更高的效率以及更高的功率密度。不利的一面是，氮化鎵開關(guān)器件比硅器件更加昂貴，因而可能會(huì)增加電源總體成本。

成本和效率分析

業(yè)界自然關(guān)注的一個(gè)問題是，這種基于氮化鎵的電源解決方案需要的較高初始資本支出(CapEx)是否值得。為了對(duì)此問題進(jìn)行分析，有必要檢查對(duì)比一下基于氮化鎵和硅器件的類似設(shè)計(jì)解決方案的總體擁有成本(TCO)。

考慮到可能影響電源性能的各種參數(shù)的數(shù)量，要證明這一點(diǎn)顯然非常具有挑戰(zhàn)性。進(jìn)行此項(xiàng)分析的一種方法是使用Pareto優(yōu)化(Pareto optimization)，這是一種系統(tǒng)地考慮工程設(shè)計(jì)中多個(gè)目標(biāo)的方法。在這種情況下，重點(diǎn)關(guān)注的主要結(jié)果將是效率、功率密度和總體擁有成本。

這種方法能夠以一種系統(tǒng)的方式來評(píng)估多個(gè)參數(shù)，例如不同拓?fù)浠蚺渲弥性骷慕M合，以及選擇最佳解決方案，可以避免依靠“直覺(gut feel)”或粗略的計(jì)算，并且使我們能夠同時(shí)更精確地分析不同因素之間的平衡取舍。

例如，基于氮化鎵的解決方案可以實(shí)現(xiàn)98.1％的效率，而硅器件的效率為97.6％，效率的提升看似微不足道，但這意味著損耗降低了五分之一(從2.4％減少到1.9％，減少了0.5％)。盡管如此，如果不使用Pareto優(yōu)化，也很難評(píng)估這種改進(jìn)是否值得。

如圖1所示，這是一個(gè)典型的電信電源，其標(biāo)稱輸入電壓為230VRMS，并提供43V～58V(標(biāo)稱值為54V)的輸出電壓。該示例還定義了3kW的最大輸出功率，且在此功率下保持時(shí)間(hold-up time)為10ms。應(yīng)該注意的是，即使我們?cè)诖耸纠羞x擇了電信電源，其結(jié)果也可以應(yīng)用于提供48V輸出電壓的數(shù)據(jù)通信電源。由于服務(wù)器電源通常包括附加的ORing功能，因此需要考慮一些少量的附加損耗。

圖1：電源設(shè)計(jì)示例。

為了進(jìn)行這項(xiàng)分析，其中采用了具有圖騰柱功率因數(shù)校正(PFC)和一個(gè)LLC拓?fù)涞碾娫丛O(shè)計(jì)。針對(duì)基于氮化鎵的設(shè)計(jì)，選擇具有固定開關(guān)頻率的連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)用于PFC調(diào)制，而對(duì)于基于硅的系統(tǒng)，則使用能夠?qū)崿F(xiàn)軟開關(guān)的三角波電流模式(TCM)。為了模擬典型的使用條件，考慮50％負(fù)載，230Vin和54Vout時(shí)的電路特性。

假設(shè)使用壽命為七年，電費(fèi)為0.10US$/kWh，數(shù)據(jù)中心的用電效率(PUE)為1.5。成本是從數(shù)據(jù)中心運(yùn)營商的角度進(jìn)行計(jì)算，并考慮了電源供應(yīng)商25％的毛利率。這些計(jì)算還考慮到控制損耗、冷卻系統(tǒng)、大約20％的空氣量和部件占用空間，以及外殼、連接器、PCB和制造等成本。

多目標(biāo)Pareto分析

為了進(jìn)行分析，在組件和系統(tǒng)級(jí)都檢查了各種選項(xiàng)。這些包括：LLC中圖騰柱高頻腳、EMI級(jí)、并聯(lián)轉(zhuǎn)換器級(jí)和矩陣變壓器的數(shù)量

AC/DC級(jí)的開關(guān)頻率(50kHz～150kHz)和DC/DC級(jí)的諧振頻率(50kHz～350kHz)

被動(dòng)組件的值

電感、變壓器和電容器設(shè)計(jì)

基于這些變量通過研究所有可能的設(shè)計(jì)變體，可以計(jì)算出各種方案的總體性能。進(jìn)一步通過仿真可以得到每種設(shè)計(jì)的效率、體積大小和成本，然后可以將其與特定的財(cái)務(wù)假設(shè)結(jié)合起來以計(jì)算總體擁有成本。

為了提供可靠的結(jié)果，仿真需要考慮許多不同的因素，這些包括從考慮電氣模型，分析不同電感器的損耗、體積和成本如何變化，到各種組件的熱性能和磁性能等。

通過分析可產(chǎn)生一個(gè)“?Pareto曲面”，也稱為“?Pareto邊界”，它以圖形化繪制的方式顯示了最佳設(shè)計(jì)選擇。對(duì)于這些最佳方案中的每一個(gè)，如果要更改任何設(shè)計(jì)因素以改善性能的某一個(gè)方面，則性能的另一方面會(huì)肯定變差。就像在現(xiàn)實(shí)生活中一樣，設(shè)計(jì)工程師在選擇最佳解決方案時(shí)需要在各個(gè)方面進(jìn)行權(quán)衡。

分析結(jié)果：GaN的優(yōu)勢

在230Vin和50％負(fù)載下評(píng)估54Vout的設(shè)計(jì)，其效率和功率密度關(guān)系如圖2所示。針對(duì)基于氮化鎵和硅器件設(shè)計(jì)的每個(gè)仿真，都在圖上放置一個(gè)紅色(氮化鎵)或藍(lán)色(硅)點(diǎn)，以表示其達(dá)到的效率和功率密度。

圖2：一系列基于氮化鎵和硅器件的54Vout設(shè)計(jì)效率與功率密度。

由此可以確定硅和氮化鎵設(shè)計(jì)在效率和功率密度方面的“Pareto最優(yōu)”解決方案(見圖3)。這意味著對(duì)于任何給定的功率密度值，都會(huì)在圖中繪制出具有最高效率的設(shè)計(jì)。

圖3：?Pareto最優(yōu)的最高效率氮化鎵和硅設(shè)計(jì)比較。

顯然，氮化鎵解決方案在所有功率密度下都具有更高效率。在高效率區(qū)域，優(yōu)勢約為0.4％，而在高密度區(qū)域(效率較低)中，與硅相比，氮化鎵的改進(jìn)約為0.8％。除此之外，就基于氮化鎵的設(shè)計(jì)而言，其可實(shí)現(xiàn)的最大功率密度比硅器件方案高出近10W/英寸3。

由此可以考慮對(duì)財(cái)務(wù)方面的影響。為了使圖形僅包含兩個(gè)變量，我們僅考慮具備特定功率密度80W/英寸3的設(shè)計(jì)。應(yīng)當(dāng)注意，對(duì)于其他功率密度也可以得到類似的結(jié)果。通過保持功率密度恒定，可以依據(jù)總體擁有成本繪制一個(gè)圖表(見圖4)。

在這里，總體擁有成本是通過考慮具有最低初始成本(但不一定是最低總體擁有成本)的硅設(shè)計(jì)來歸一化，因而形成基準(zhǔn)于100％的曲線。結(jié)果表明，隨著效率的提高，氮化鎵和硅的總體擁有成本都在下降。可以看出，效率為97.35％的氮化鎵解決方案比最佳的硅解決方案總體擁有成本改善了13％。

圖4：與最高效的硅解決方案相比，最高效的80W/英寸3功率密度氮化鎵設(shè)計(jì)可使總體擁有成本改善13％。

除了能夠顯著提高效率外，轉(zhuǎn)化為熱量的功率消耗也更小，從而減少了電費(fèi)，并降低了對(duì)于冷卻組件的要求。與基于硅的設(shè)計(jì)相比，氮化鎵器件的上述優(yōu)勢勝過了其較高的初始成本。

結(jié)論

在我們考慮電源的拓?fù)浼軜?gòu)、組件、相關(guān)成本和能耗時(shí)，英飛凌進(jìn)行的Pareto分析表明，至少在高功率密度應(yīng)用中，基于氮化鎵的開關(guān)器件比基于硅的設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)更低的總體擁有成本。隨著市場不斷轉(zhuǎn)向更高功率密度設(shè)計(jì)，這意味著氮化鎵器件的優(yōu)勢將進(jìn)一步提高。

雖然基于氮化鎵的電源初始成本比使用硅器件的解決方案要高，但氮化鎵解決方案將在更高效率、更緊湊的體積大小、以及更低的控制復(fù)雜性等方面帶來優(yōu)勢。在討論電源投資時(shí)，通過考慮總體擁有成本，而不是簡單的初始投入，可以看出，基于氮化鎵的解決方案將在未來幾年成為電源采購工程師的重點(diǎn)選擇。

當(dāng)然，確切的財(cái)務(wù)收益將取決于具體應(yīng)用和特定的電力成本，但是在當(dāng)今的大功率電信和服務(wù)器應(yīng)用中，氮化鎵開關(guān)器件可以節(jié)省大量資金。幾乎同樣重要的是，通過使用Pareto優(yōu)化，可以事先證明這些節(jié)省確實(shí)可行，從而可以為基于氮化鎵的解決方案組合一個(gè)可靠的業(yè)務(wù)案例，也能夠證明其稍高的初始成本如何得到有效分擔(dān)。

創(chuàng)作挑戰(zhàn)賽新人創(chuàng)作獎(jiǎng)勵(lì)來咯，堅(jiān)持創(chuàng)作打卡瓜分現(xiàn)金大獎(jiǎng)

總結(jié)

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