Polovodiče se širokým zakázaným pásmem zvyšují efektivitu v datových centrech

Datová centra hrají ve světě stále více využívajícím digitalizaci, propojení a virtualizaci klíčovou a zásadní roli. Vzhledem k tomu, že datová centra mají obrovské energetické nároky, pro napájení jsou nutná řešení, která dokáží snížit ztráty energie, zvýšit účinnost a zlepšit tepelnou regulaci.

Provoz na internetu v poslední době značně vzrostl v důsledku výrazně vyššího počtu uživatelů, širokého používání mobilních zařízení a sociálních sítí a vzdáleného ukládání informací v cloudu. Tento nárůst podle analytiků ještě nedosáhl svého maxima.

Tyto prognózy růstu vyvolávají otázky týkající se účinnosti zařízení a spotřeby elektrické energie, což podněcuje vývoj nových energeticky účinných technologií pro přeměnu energie, jaké nabízejí napájecí zařízení se širokým zakázaným pásmem (WBG).

Prvořadá je účinnost

Datové centrum je kromě fyzické infrastruktury také strukturou, ve které jsou umístěny síťové počítačové servery pro elektronické zpracování, ukládání a distribuci dat. Klíčovou součástí datového centra je server, zařízení, které uchovává data řídící internet, cloud computing a podnikové intranety.

Potřeba energie roste v důsledku rostoucího objemu vytvářených, zpracovávaných a ukládaných digitálních dat. Kromě napájení stojanů, datových úložišť a síťových jednotek potřebují datová centra také pomocná chladicí a ventilační zařízení, která odvádějí teplo vznikající při zpracování dat a přeměně elektrické energie.

Typická struktura systému přeměny elektrické energie používaného v datovém centru zahrnuje několik měničů napětí AC/DC, DC/AC a DC/DC, na kterých úzce závisí účinnost celého datového centra. Snížení ztrát v měničích, které napájejí zařízení pro zpracování a ukládání dat, má dvě klíčové výhody. Zaprvé není třeba dodávat energii, která se nepřeměňuje na teplo, a zadruhé se snižuje energie potřebná k odvodu odpadního tepla.

Účinnost datového centra se často měří pomocí koeficientu efektivity využití energie (PUE). Metodu PUE vyvinula společnost The Green Grid jako standardní způsob porovnávání spotřeby energie v datových centrech a je definována jako poměr celkové spotřeby energie v datovém centru ke spotřebě energie zařízení informačních technologií (IT).

Indikátor PUE je dostatečně základní statistika pro identifikaci oblastí, které je třeba rozvíjet. Přestože se nejedná o dokonalou metriku, stala se průmyslovým standardem. V ideálním případě by se hodnota PUE měla blížit jedné, což znamená, že datové centrum potřebuje elektřinu pouze k pokrytí svých požadavků na IT. Podle Národní laboratoře pro obnovitelné zdroje energie (NREL)2 se však průměrná hodnota PUE pohybuje kolem 1,8. Hodnoty PUE datových center se pohybují v širokém rozmezí, ale datová centra zaměřená na efektivitu často dosahují hodnot PUE 1,2 nebo méně.

Vysoká hodnota PUE může mít různé příčiny, např. tyto:

• „Zombie“ (nebo „komatózní“) servery a nepřerušitelné zdroje napájení (UPS), tedy zařízení zapnutá, ale nikoli plně využívaná. Patří sem neúmyslně nečinná zařízení, která spotřebovávají elektřinu, aniž by to bylo patrné, nebo bez vnější komunikace.
• Neefektivní strategie zálohování a chlazení.
• Datová centra se více zaměřují na spolehlivost než na efektivitu.

Dvěma běžnými metodami snížení hodnoty PUE je doplnění chladicích ventilátorů o měniče s proměnnou frekvencí (VFD) a minimalizace počtu serverů a UPS. V posledních několika letech se díky přechodu od starších 12V architektur k účinnějším 48V řešením (viz obrázek 1) podařilo snížit značné ztráty energie (ztráty I2R), což poskytuje efektivnější řešení pro výpočetní systémy s rostoucími nároky na spotřebu energie. Použití 48 V v architektuře napájení vede k šestnáctkrát nižším ztrátám I2R. To pomáhá splnit stále náročnější požadavky na energetickou účinnost, uvážíme-li, že jednoprocentní zlepšení účinnosti může ušetřit kilowatty na úrovni celého datového centra.

Obrázek 1: Polovodiče WBG poskytují lepší výkon než křemík (Zdroj obrázku: síť Researchgate)

Výhody polovodičů WBG v datových centrech

Ačkoli je křemík (Si) nejznámější technologií, má menší zakázané pásmo než materiály se širokým zakázaným pásmem (WBG), například nitrid galia (GaN) a karbid křemíku (SiC), což snižuje jeho provozní teplotu, omezuje jeho použití na nižší napětí a snižuje jeho tepelnou vodivost.

Efektivnější alternativou může být použití účinnějších napájecích zařízení, jako jsou polovodiče WBG namísto křemíku. Polovodiče WBG, jako jsou GaN a SiC, umožňují překonat limity křemíkové technologie, poskytují vysoké průrazné napětí, vysokou spínací frekvenci, nízké ztráty při vedení a spínání, lepší odvod tepla a menší rozměry (viz obrázek 1). To vede k vyšší účinnosti napájecích a konverzních stupňů. Jak již bylo zmíněno, v datovém centru může i jednoprocentní zvýšení účinnosti znamenat výraznou úsporu energie.

GaN

GaN je novou třídou materiálů se širokým zakázaným pásmem, protože má třikrát větší pásmo bez výskytu elektronů (3,4 eV) než křemík (1,1 eV). Kromě toho má GaN oproti křemíku dvakrát větší pohyblivost elektronů. Známá a bezkonkurenční účinnost GaN při velmi vysokých spínacích frekvencích je umožněna obrovskou pohyblivostí jeho elektronů.

Tyto vlastnosti umožňují napájecím zařízením na bázi GaN odolávat silnějším elektrickým polím při menší velikosti matrice. Menší tranzistory a kratší proudové dráhy mají za následek velmi nízký odpor a kapacitu, což umožňuje až 100krát rychlejší spínání.

Snížený odpor a kapacita také zvyšují účinnost přeměny energie, což poskytuje více energie pro pracovní zátěž v datových centrech. Namísto produkce většího množství tepla, které by vyžadovalo větší chlazení datového centra, lze v datovém centru provést více operací na jeden watt. Vysokorychlostní frekvenční spínání také snižuje velikost a hmotnost pasivních komponent ukládajících energii, protože každý spínací cyklus ukládá podstatně méně energie. Další výhodou GaN je jeho schopnost podporovat různé topologie napájecích měničů a napájecích zdrojů.

Klíčové vlastnosti GaN relevantní pro použití v datových centrech jsou:

• podpora tvrdých a měkkých spínacích topologií,
• rychlé zapínání a vypínání (průběh spínání GaN je téměř totožný s ideálním obdélníkovým průběhem),
• nulová zpětná rekuperace,
• v porovnání s křemíkovou technologií:
  • 10x vyšší průrazné pole,
  • 2x vyšší pohyblivost elektronů,
  • 10x nižší výstupní náboj,
  • 10x nižší náboj hradla a lineární Cossova charakteristika.

Tyto vlastnosti umožňují řešení s napájecími zařízeními GaN, která mají:

• vysokou účinnost, hustotu výkonu a spínací frekvence,
• menší rozměry a zapínací odpor,
• nízkou hmotnost,
• téměř bezztrátový spínací provoz.

Typická cílová aplikace pro napájecí zařízení GaN je znázorněna na obrázku 2. Tyto vysokonapěťové bezmůstkové dvojčinné stupně PFC a vysokonapěťové rezonanční stupně LLC dokážou splnit přísné požadavky serverových SMPS, dosahovat plošné účinnosti nad 99 % v širokém rozsahu zatížení a vysoké hustoty výkonu.

Obrázek 2: Vysoce účinný spínaný zdroj napájení GaN (SMPS) pro servery datových center (Zdroj: Infineon)

SiC

Historicky se napájecí zařízení se SiC poprvé používala v datových centrech pro zařízení UPS. UPS jsou pro datová centra nezbytné, aby se zabránilo potenciálně katastrofálním následkům výpadku nebo přerušení síťového napětí na jejich provoz. Redundance zdroje napájení má zásadní význam pro zajištění nepřetržitého a spolehlivého provozu datového centra. Optimalizace efektivity spotřeby energie (PUE) datového centra je hlavní prioritou každého podnikatele a řízení provozu.

Pro datové centrum je nezbytný spolehlivý a stálý zdroj napájení. Ke splnění tohoto požadavku se často používají systémy UPS nezávislé na napětí a frekvenci (VFI). AC/DC konvertor (usměrňovač), DC/AC konvertor (střídač) a stejnosměrný meziobvod tvoří VFI UPS zařízení. Zařízení VFI nepřerušitelného zdroje napájení je tvořeno AC/DC převodníkem (usměrňovačem), DC/AC převodníkem (střídačem) a článkem DC. Přemosťovací přepínač, který se používá především při údržbě, připojuje výstup UPS přímo ke zdroji střídavého proudu na vstupu. V případě výpadku síťového napájení se baterie, obvykle složená z mnoha článků, připojí ke snižovači nebo zvyšovači napětí a napájí zdroj.

Protože střídavé napětí na vstupu se převádí na stejnosměrné napětí a pak opět na přesně sinusové výstupní napětí, tato zařízení obvykle představují obvody s dvojí konverzí. Výsledkem je eliminace jakéhokoli kolísání napájecího napětí, takže UPS může dodávat zátěži stabilní a čistý signál. Kromě izolace systému od zdroje napájení chrání proces konverze napětí zátěž před kolísáním napětí.

Donedávna dosahovaly nejlepších výsledků účinnosti bipolární tranzistory s izolovaným hradlem (IGBT) s tříúrovňovou topologií spínání. Díky tomuto přístupu bylo dosaženo 96% úrovně účinnosti, což je výrazné zlepšení oproti dřívějším modelům založeným na transformátorech.

Tranzistory z karbidu křemíku umožnily výrazně snížit (o více než 70 %) ztráty energie a zvýšit účinnost v systémech UPS s dvojí konverzí. Tato pozoruhodná účinnost (přes 98 %) platí i v případě scénářů s nižším a vysokým zatížením.

Výsledky tohoto typu jsou dosažitelné díky vnitřním vlastnostem karbidu křemíku. Ve srovnání s tradičními zařízeními na bázi křemíku, jako jsou MOSFET a IGBT, může SiC pracovat při vyšších teplotách, frekvencích a napětích.

Další výhodou UPS na bázi SiC je lepší hodnota tepelných ztrát (neboli odvod tepla), což umožňuje provoz při vyšších teplotách. Tato vlastnost umožňuje konstruktérům použít kompaktnější a úspornější řešení chlazení. Celkově je UPS na bázi SiC účinnější, lehčí a menší než ekvivalentní model s komponentami na bázi křemíku.

Polovodiče na bázi SiC mohou díky svým vlastnostem pracovat při vyšších teplotách než tradiční křemíkové polovodiče. Náklady zákazníka na chlazení se tak mohou snížit díky nižším tepelným ztrátám UPS a schopnosti pracovat při vyšších teplotách.

Při maximalizaci dostupné podlahové plochy v datovém centru má UPS na bázi SiC oproti konvenčním UPS na bázi Si nižší hmotnost a rozměry. UPS na bázi SiC navíc vyžaduje menší podlahovou plochu, čímž se zvyšuje dostupná kapacita napájení v daném prostoru.

Závěr

Souhrnně lze říci, že materiály WBG, jako např. GaN a SiC, jsou nové polovodiče, které vytvoří novou trajektorii pro výkonovou elektroniku v náročných aplikacích, jako jsou datová centra. Mezi jejich výhody patří vyšší účinnost systému, nižší nároky na chladicí systém, provoz při vyšších teplotách a vyšší hustota výkonu. Díky integraci napájecích zařízení GaN a SiC do měničů napětí a napájecích zdrojů se daří plnit cíle provozovatelů datových center dosáhnout vyšší účinnosti, maximalizovat podlahovou plochu a snížit provozní náklady v celém objektu.