简介

近年来，电信市场正在向云计算转移，这导致超大规模数据中心空快速增长，越来越多的功能需要在每个机架上处理。

反过来，这种趋势也意味着对电力的需求正在迅速增加，重点是采用更高效、更紧凑、耗电更少的电源。为了最大限度地减少对冷却元件的需求，散热也是这里要考虑的另一个基本因素。随着每个机架的功率需求飙升至20kW甚至更高，行业呈现出从传统的12V电源向48V电源转移的趋势，从而降低损耗。然而，这些还远远不够，还需要更多的改进。

同时，电信应用也需要更大的功率和更高的效率，尤其是需要支持最近推出的5G。电信设备主要采用-48V的行业标准供电，电源输出范围通常为40V~60V。

尽管基于硅(Si)的现有解决方案在效率和密度方面正在稳步提高，但该技术能够实现的目标非常有限，氮化镓(GaN)器件越来越多地用于满足服务器和电信市场在密度和效率方面极具挑战性的要求。

氮化镓器件在电特性方面比硅器件有许多优点。首先，氮化镓高电子迁移率晶体管(HEMT)的栅极电荷和输出电荷低一个数量级，反向恢复电荷几乎为零。这些都使得反向导通器件的硬换向成为可能，因此可以采用更简单的拓扑结构，比如采用梯形波电流调制的图腾柱PFC级。

通过降低开关损耗和允许更高的开关频率，氮化镓器件可以在许多应用中提供比硅器件更高的效率和更高的功率密度。从负面来看，氮化镓开关器件比硅器件更昂贵，这可能会增加电源的总成本。

成本和效率分析

业界的一个自然担忧是，这种基于GaN的电源解决方案所需的高额初始资本支出(CapEx)是否值得。为了分析这个问题，有必要检查和比较基于氮化镓和硅器件的类似设计解决方案的总拥有成本(TCO)。

考虑到可能影响电源性能的各种参数的数量，证明这一点显然非常具有挑战性。进行这种分析的一种方法是使用帕累托优化，这是一种在工程设计中系统考虑多个目标的方法。在这种情况下，要关注的主要结果是效率、功率密度和总拥有成本。

这种方法可以系统地评估多个参数，例如不同拓扑或配置中的组件组合，并选择最佳解决方案。它可以避免依赖“直觉”或粗略计算，同时使我们能够更准确地分析不同因素之间的平衡。

例如，氮化镓基解决方案可以实现98.1%的效率，而硅器件的效率为97.6%。效率的提升看似微不足道，但却意味着损失减少了五分之一(从2.4%减少到1.9%，减少了0.5%)。但如果不采用帕累托优化，很难评价这种改进是否值得。

如图1所示，这是一个典型的电信电源，标称输入电压为230VRMS，输出电压为43V~58V(标称值为54V)。该示例还定义了3kW的最大输出功率，该功率下的保持时间为10ms。需要注意的是，即使我们在这个例子中选择了电信电源，结果也可以应用于提供48V输出电压的数据通信电源。因为服务器电源通常包括额外的ORing功能，所以需要考虑一些额外的小损耗。

图1:电源设计示例。

对于此分析，采用了具有图腾柱功率因数校正(PFC)和LLC拓扑的电源设计。对于基于GaN的设计，PFC调制选择具有固定开关频率的连续导通模式(CCM ),而对于基于硅的系统，使用可以实现软开关的三角电流模式(TCM)。为了模拟典型工作条件，考虑50%负载、230Vin和54Vout下的电路特性。

假设使用寿命为七年，电力成本为0.10美元/千瓦时，数据中心的PUE为1.5。成本是从数据中心运营商的角度计算的，考虑到了电力供应商25%的毛利率。这些计算还考虑了控制损耗、冷却系统、大约20% 空的空气量和组件空所占的空间，以及外壳、连接器、PCB和制造的成本。

多目标帕累托分析

对于分析，在组件和系统级别检查各种选项。其中包括:

基于这些变量，可以通过研究所有可能的设计变量来计算各种方案的总体性能。每种设计的效率、规模和成本都可以通过进一步的模拟得到，然后再结合具体的财务假设来计算总拥有成本。

为了提供可靠的结果，仿真需要考虑许多不同的因素，包括考虑电气模型，分析不同电感的损耗、体积和成本如何变化，以及各种元件的热和磁特性。

通过分析，可以产生一个“帕累托曲面”，也称为“帕累托边界”，它以图形方式显示最佳设计选择。对于这些最佳方案中的每一个，如果要改变任何设计因素来改善一个方面的性能，则另一个方面的性能肯定会变得更差。就像现实生活中，设计工程师在选择最佳方案时，需要权衡方方面面。

分析结果:GaN的优势

评估54Vout在230Vin和50%负载下的设计，效率和功率密度之间的关系如图2所示。对于基于氮化镓和硅器件设计的每个仿真，红色(氮化镓)或蓝色(硅)点被放置在图表上，以指示其实现的效率和功率密度。

图2:基于氮化镓和硅的54Vout系列器件的设计效率和功率密度。

因此，可以确定硅和氮化镓设计在效率和功率密度方面的“帕累托最优”解决方案(见图3)。这意味着对于任何给定的功率密度值，具有最高效率的设计将被绘制在图中。

图Pareto最佳和最高效率氮化镓和硅设计的比较。

显然，氮化镓溶液在所有功率密度下都具有更高的效率。在高效率区，优势约为0.4%，而在高密度区(低效率)，氮化镓相对于硅的提升约为0.8%。此外，就氮化镓基设计而言，可实现的最大功率密度比硅器件方案高出近10W/ in3。

因此，可以考虑财务影响。为了使图形只包含两个变量，我们只考虑特定功率密度为80W/ in3的设计。应当注意，对于其他功率密度，可以获得类似的结果。通过保持功率密度不变，可以根据总拥有成本绘制图表(见图4)。

这里，通过考虑初始成本最低(但不一定是总拥有成本最低)的硅设计，将总拥有成本归一化，从而形成基于100%的曲线。结果表明，随着效率的提高，GaN和Si的总拥有成本在下降。可以看出，效率为97.35%的氮化镓溶液的总拥有成本比最好的硅溶液提高了13%。

图4:与最高效的硅解决方案相比，最高效的80W/英寸3功率密度GaN设计可将总拥有成本提高13%。

除了显著提高效率之外，转换为热量的功耗也更小，从而降低了电费和对冷却组件的要求。与硅基设计相比，GaN器件的上述优势超过了其较高的初始成本。

结论

当我们考虑电源的拓扑结构、组件、相关成本和能耗时，英飞凌进行的帕累托分析表明，至少在高功率密度应用中，氮化镓基开关器件可以实现比硅基设计更低的总拥有成本。随着市场转向更高的功率密度设计，这意味着GaN器件的优势将进一步提高。

尽管氮化镓基电源的初始成本高于使用硅器件的解决方案，但氮化镓解决方案将在更高的效率、更紧凑的尺寸和更低的控制复杂性方面带来优势。在讨论电力投资时，通过考虑总拥有成本而不是简单的初期投资，可以看出氮化镓基解决方案将成为未来几年电力采购工程师的重点选择。

当然，确切的经济效益将取决于具体的应用和具体的电力成本，但在当今的高功率电信和服务器应用中，氮化镓开关器件可以节省大量资金。几乎同样重要的是，通过使用帕累托优化，可以提前证明这些节省确实是可行的，从而可以为基于GaN的解决方案组合一个可靠的业务案例，并且还可以证明其略高的初始成本如何得到有效分摊。