Wide bandgap-halfgeleiders zorgen voor meer efficiëntie in datacenters

Datacenters spelen een cruciale en essentiële rol in de steeds meer digitale, verbonden en gevirtualiseerde wereld. Aangezien datacenters enorme energiebehoeften hebben, zijn stroomoplossingen nodig die stroomverliezen kunnen beperken, de efficiëntie kunnen verhogen en de thermische controle kunnen verbeteren.

Het verkeer op het internet is de laatste tijd aanzienlijk toegenomen als gevolg van een groter aantal gebruikers, het wijdverbreide gebruik van mobiele apparaten en sociale netwerken, en de opslag van informatie op afstand in de cloud. Volgens analisten moet de groei van dit verkeer nog tot volledige verzadiging komen.

Deze groeiprognoses doen vragen rijzen over de efficiëntie van de apparatuur en het elektriciteitsverbruik, wat de ontwikkeling van nieuwe energie-efficiënte vermogensomzettingstechnologieën zoals die van de WBG (Wide Bandgap) voedingsapparaten stimuleert.

Efficiëntie staat voorop

Naast de fysieke infrastructuur is een datacentrum een structuur waar in een netwerk opgenomen computerservers voor elektronische verwerking, opslag en distributie van gegevens zijn ondergebracht. Het belangrijkste onderdeel van een datacenter is de server, een apparaat dat gegevens opslaat die het internet, cloudcomputing en bedrijfsintranetten aandrijven.

De vraag naar energie stijgt door de toenemende hoeveelheid digitale gegevens die wordt gecreëerd, verwerkt en opgeslagen. Naast de voeding van racks, gegevensopslag en netwerkeenheden hebben datacenters ook hulpkoeling en ventilatieapparatuur nodig om de warmte te verwijderen die vrijkomt bij de gegevensverwerking en de omzetting van elektrische energie.

De typische structuur van het in een datacenter gebruikte stroomconversiesysteem bestaat uit verschillende AC/DC-, DC/AC- en DC/DC-spanningsconvertors, waarvan de efficiëntie van het gehele datacenter strikt afhangt. Het verlagen van de verliezen in de convertors die de gegevensverwerkende en -opslagapparatuur van stroom voorzien, heeft twee belangrijke voordelen. Ten eerste hoeft de energie die niet in warmte wordt omgezet niet te worden geleverd; ten tweede is er minder energie nodig om de afvalwarmte af te voeren.

Datacenter efficiëntie wordt vaak gemeten met de PUE-metriek (power usage effectiveness). De PUE, ontwikkeld door The Green Grid als een standaardmanier om het energieverbruik van datacenters te vergelijken, wordt gedefinieerd als de verhouding tussen het totale energieverbruik van datacenters en het energieverbruik van IT-apparatuur.

De PUE-meting is een voldoende elementaire statistiek om gebieden voor ontwikkeling aan te wijzen. Hoewel het geen perfecte metriek is, is het een industriestandaard geworden. De PUE zou idealiter dicht bij eenheid moeten liggen, wat betekent dat het datacenter alleen elektriciteit nodig heeft om in zijn IT-vraag te voorzien. Volgens het National Renewable Energy Laboratory (NREL)2 ligt de gemiddelde PUE echter rond de 1,8. De PUE-waarden van datacenters lopen sterk uiteen, maar op efficiëntie gerichte datacenters halen vaak PUE-waarden van 1,2 of minder.

Een hoge PUE kan verschillende oorzaken hebben, zoals de volgende:

• Zombie" (of "comateuze") servers en ononderbreekbare stroomvoorzieningen (UPS'en), d.w.z. apparatuur die is ingeschakeld maar niet volledig wordt gebruikt. Het omvat onbedoeld inactieve apparaten die elektriciteit verbruiken zonder zicht of externe communicatie.
• Inefficiënte back-up- en koelstrategieën
• Datacenters zijn meer gericht op betrouwbaarheid dan op efficiëntie

Het toevoegen van variabele frequentie drives (VFD's) aan koelventilators en het minimaliseren van het aantal servers en UPS'en zijn twee gangbare methoden om de PUE te verlagen. In de afgelopen paar jaar heeft de overgang van de oude 12 V-architecturen naar efficiëntere 48 V-oplossingen (zie Afbeelding 1) aanzienlijke vermogensverliezen (I2R-verliezen) verminderd, waardoor steeds meer energievragende verwerkingssystemen over efficiëntere oplossingen beschikken. Het gebruik van 48 V in de vermogensarchitectuur resulteert in zestien keer lagere I2R-verliezen. Dit helpt te voldoen aan de steeds strengere eisen inzake energie-efficiëntie, aangezien een verbetering van de efficiëntie met één procent een besparing van kilowatt op het hele datacenter kan opleveren.

Afbeelding 1: WBG-halfgeleiders leveren betere prestaties dan silicium. (Bron afbeelding: Researchgate)

Voordelen van WBG-halfgeleiders in datacenters

Hoewel silicium (Si) de meest bekende technologie is, heeft het een kleinere bandkloof dan materialen met een brede bandkloof (WBG), zoals galliumnitride (GaN) en siliciumcarbide (SiC), waardoor de bedrijfstemperatuur lager is, het gebruik ervan beperkt wordt tot lagere spanningen en de thermische geleidbaarheid afneemt.

Het gebruik van efficiëntere stroomvoorzieningen, zoals WBG-halfgeleiders in plaats van silicium, kan een doeltreffender alternatief zijn. WBG-halfgeleiders, zoals GaN en SiC, maken het mogelijk de grenzen van de siliciumtechnologie te overwinnen en zorgen voor hoge doorslagspanningen, een hoge schakelfrequentie, lage geleidings- en schakelverliezen, een betere warmteafvoer en een kleinere vormfactor (zie Afbeelding 1). Dit resulteert in een hoger rendement van de voedings- en stroomconversiefasen. Zoals eerder vermeld, kan in een datacenter zelfs één procentpunt meer efficiëntie een aanzienlijke energiebesparing opleveren.

GaN

GaN is een opkomende klasse van materialen met een brede bandkloof, omdat het een elektronenbandkloof heeft die drie keer groter is (3,4 eV) dan die van silicium (1,1 eV). Bovendien heeft GaN tweemaal zoveel elektronenmobiliteit als silicium. De bekende en ongeëvenaarde efficiëntie van GaN bij zeer hoge schakelfrequenties wordt mogelijk gemaakt door zijn enorme elektronenmobiliteit.

Dankzij deze eigenschappen kunnen op GaN gebaseerde voedingsapparaten sterkere elektrische velden weerstaan in een kleinere matrijs. Kleinere transistors en kortere stroompaden resulteren in ultralage weerstand en capaciteit, waardoor tot 100 maal snellere schakelsnelheden mogelijk zijn.

Verminderde weerstand en capaciteit verhogen ook de stroomconversie-efficiëntie, waardoor er meer stroom is voor werklasten in datacenters. In plaats van meer warmte te produceren, waardoor meer koeling voor het datacenter nodig zou zijn, kunnen meer datacenteroperaties per watt worden uitgevoerd. Schakelen met hoge frequentie vermindert ook de omvang en het gewicht van passieve componenten die energie opslaan, omdat elke schakelcyclus aanzienlijk minder energie opslaat. Een ander voordeel van GaN is dat het verschillende topologieën voor stroomomzetters en stroomvoorziening kan ondersteunen.

De belangrijkste kenmerken van GaN die relevant zijn voor datacentertoepassingen zijn de volgende:

• Ondersteuning voor harde en zachte schakeltopologieën
• Snel in- en uitschakelen (GaN-schakelgolfvorm is bijna identiek aan de ideale blokgolf)
• Nul terugvorderingskosten
• Vergeleken met Si-technologie:
  • 10x hoger uitsplitsingsveld
  • 2x hogere mobiliteit
  • 10x lagere uitgangslading
  • 10x lagere poortlading en lineaire Coss-karakteristiek

Dankzij deze eigenschappen kunnen GaN-voedingsapparaten oplossingen realiseren:

• Hoge efficiëntie, vermogensdichtheid en schakelfrequenties
• Verminderde vormfactor en on-weerstand
• Laag gewicht
• Bijna verliesloze schakeling.

Een typische doeltoepassing voor GaN power devices is weergegeven in Afbeelding 2. Deze hoogspanningsbrugloze totempaal PFC trappen en hoogspanningsresonante LLC trappen kunnen voldoen aan de strenge eisen van server SMPS, en bereiken een vlakke efficiëntie van meer dan 99% over een breed belastingsbereik en een hoge vermogensdichtheid.

Afbeelding 2: Zeer efficiënte GaN geschakelde voeding (SMPS) voor datacenterservers (Bron: Infineon)

SiC

Historisch gezien was een van de eerste toepassingen van SiC-voedingsapparaten in datacenters de UPS-apparatuur. UPS is essentieel voor datacenters om de potentieel desastreuze gevolgen van een stroomstoring of -onderbreking voor hun activiteiten te voorkomen. Redundantie van de stroomvoorziening is cruciaal voor de operationele continuïteit en betrouwbaarheid van een datacenter. Het optimaliseren van de effectiviteit van het stroomverbruik (PUE) van het datacenter is een primaire prioriteit van elke ondernemer en operationeel management.

Een betrouwbare, constante energiebron is noodzakelijk voor een datacenter. Spannings- en frequentieonafhankelijke (VFI) UPS-systemen worden vaak gebruikt om aan deze eis te voldoen. Een AC/DC-convertor (gelijkrichter), een DC/AC converter (omvormer) en een DC link vormen samen een VFI UPS-apparaat. Een bypass-schakelaar, voornamelijk gebruikt tijdens onderhoud, verbindt de UPS-uitgang rechtstreeks met de wisselstroombron aan de ingang. In het geval van een stroomstoring wordt de batterij, die meestal uit vele cellen bestaat, aangesloten op een buck- of boost converter en van stroom voorzien.

Omdat de wisselspanning aan de ingang wordt omgezet in gelijkspanning en vervolgens weer in een precies sinusvormige uitgangsspanning, zijn deze apparaten typisch dubbelconversieschakelingen. Het resultaat elimineert elke variatie in de voedingsspanning, waardoor de UPS de belasting van een stabiel en schoon signaal kan voorzien. Naast het isoleren van het systeem van de stroombron, beschermt het spanningsconversieproces de belasting tegen spanningsschommelingen.

Tot voor kort hadden bipolaire transistoren met geïsoleerde poort (IGBT's) met schakeltopologieën op drie niveaus de beste efficiëntieresultaten. Dankzij deze aanpak werd een efficiëntie van 96% bereikt, wat een aanzienlijke verbetering is ten opzichte van eerdere op transformatoren gebaseerde modellen.

Transistoren van siliciumcarbide hebben het mogelijk gemaakt de vermogensverliezen aanzienlijk te verminderen (> 70%) en de efficiëntie te verhogen in UPS-systemen met dubbele conversie. Deze opmerkelijke efficiëntie (meer dan 98%) blijft bestaan bij lagere en zware belasting.

Dergelijke resultaten worden verkregen door de intrinsieke eigenschappen van siliciumcarbide. Vergeleken met traditionele op silicium gebaseerde apparaten, zoals MOSFET's en IGBT's, kan SiC bij hogere temperaturen, frequenties en spanningen werken.

Een bijkomend voordeel van op SiC gebaseerde UPS is een betere warmteverlieswaarde (of warmteafwijzing), waardoor werking bij hogere temperaturen mogelijk is. Hierdoor kunnen ontwerpers compactere en zuinigere koeloplossingen toepassen. In het algemeen is een op SiC gebaseerde UPS efficiënter, lichter en kleiner dan een gelijkwaardig model met op silicium gebaseerde componenten.

Op SiC gebaseerde halfgeleiders kunnen door hun inherente eigenschappen bij hogere temperaturen werken dan traditionele Si halfgeleiders. De koelingskosten van de klant kunnen dus worden verlaagd omdat de UPS minder warmte verliest en bij hogere temperaturen kan werken.

Wanneer de beschikbare vloerruimte in een datacenter wordt gemaximaliseerd, vermindert een op SiC gebaseerde UPS het gewicht en de omvang in vergelijking met de conventionele op Si-gebaseerde UPS. Bovendien vereist een op SiC gebaseerde UPS minder vloeroppervlak, waardoor de beschikbare stroomcapaciteit in een bepaald gebied toeneemt.

Conclusie

Samengevat zijn WBG-materialen, zoals GaN en SiC, opkomende halfgeleiders die een nieuw traject zullen uitzetten voor vermogenselektronica in veeleisende toepassingen zoals datacenters. Hun voordelen zijn onder meer een hogere systeemefficiëntie, minder koelsysteemvereisten, werking bij hogere temperaturen en een hogere vermogensdichtheid. Met de integratie van GaN- en SiC-voedingsapparaten in spanningsconvertors en voedingen worden de doelstellingen van exploitanten van datacentra verwezenlijkt om een hogere efficiëntie te bereiken, het vloeroppervlak te maximaliseren en de bedrijfskosten in de hele faciliteit te verlagen.