第三代半导体在数据中心中的应用

（本文为笔者近期学习的笔记整理，有错漏之处，还望指正）

前言

自疫情以来，在家办公的需求催生了网络服务的爆炸性发展。最近对元宇宙概念的热炒，预计未来对云服务的需求将更上一个台阶。无论如何，人类的社会活动对数据的需求只增不减，对应于数据中心的能耗也将会不断攀升。因此，如何高效、稳定和大规模的提供数据中心运行所需能源也成为一项关键技术。略过发电、输电和储电，让我们来看看电力进入数据中心后，从交流AC到直流DC，再到给服务器核心部分供电这个过程中，第三代半导体碳化硅和氮化镓可以提供怎样的帮助。

全球数据中心能耗预测 来源：F. Koot, F. Wijnhoven, J. Applied Energy (Vol 291, 2021）

服务器电源系统架构

首先，让我们来看看目前数据中心通常采用的电源架构，即中间总线架构 IBA（Intermediate Bus Architecture）。电网交流电进入数据中心后在开关电源处被转变为直流电，进入到服务器的板载电源部分，再经过电压调节VR转换成一个电压较低的直流电，例如3.3V, 1.8V或1.2V，供给CPU和GPU等负载所需。另有备份电池系统BBU在紧急情况下，为服务器提供短暂的供电以备份数据。

数据中心服务器的电源架构框图 来源：公众号 01芯闻

开关电源后的这段直流部分即为中间总线，可以分为传统的12V架构和较新的48V架构。简单的表述，前者为电网交流直接转换到到12V直流，再到负载点POL。而后者可以为交流电先转化为48V直流，然后或直接到负载点POL，或又降压至12V直流（或者5V-7V）再到负载点POL。

服务器电源系统框图 来源：华为美国

因此，服务器电源的设计主要包括AC/DC，DC/DC和POL三个部分。其中DC/DC可以分为高压DC/DC部分（交流电到48V或12V），以及低压DC/DC（48V到12V）部分。按照是否要兼容目前基于12V电源的服务器，低压DC/DC又可分为了输出电压固定的48V/12V，以及转换比率固定的两种DC/DC。

开源计算项目OCP中的两级服务器板载电源架构 来源：Shuai Jiang, OCP Summit 2019

过去， 服务器电源的PFC和DCDC主级与次级侧只能选用基于硅技术的超结MOSFET（Super-Junction MOSFET)、中低压MOSFET如OptiMOS，以及硅二极管。但是随着第三代半导体技术的成熟，碳化硅和氮化镓逐渐在服务器电源中开始取代或者尝试取代硅器件。

第三代半导体在服务器电源的各个部分逐渐得到应用 来源：公众号 01芯闻

碳化硅在服务器电源中的应用

碳化硅在服务器电源中率先得到应用。得益于碳化硅极小的反向恢复损耗，碳化硅二极管较早便取代了PFC中的硅二极管，立竿见影的提高了PFC的效率。随着碳化硅MOSFET技术的成熟和可靠性的提高，又出现了采用碳化硅MOSFET取代硅MOSFET的设计，因此可以用较少元件实现较高的功率密度。科锐的2.2 KW无桥图腾柱 PFC即为一例，仅仅采用两颗碳化硅MOSFET作为其中的开关器件，效率就可以相当于更复杂的全桥PFC。

全桥整流器从无 PFC 的简单形式到无桥图腾柱PFC 的转变 来源：科锐半导体，公众号 01芯闻 整理

氮化镓在服务器电源中的应用

氮化镓、碳化硅和硅器件的不同应用定位 来源：Yole Developpment

根据服务器电源AC/DC的电压以及对开关频率和效率的要求，PFC也是氮化镓的应用领域。与硅MOSFET相比，氮化镓的栅极电容和输出电容更小，导通电阻较低，反向恢复电荷很小，因此开关损耗和导通损耗较低。另外，氮化镓可以实现高于硅MOSFET和碳化硅MOSFET的开关频率，因此可以采用较小的电感，从而实现紧凑的系统体积和更高的功率密度。根据英飞凌的一项测试显示，由于轻载情况下功率器件的损耗主要为开关损耗，因此采用氮化镓芯片的PFC在轻载时效率明显高于碳化硅PFC。

采用氮化镓的AC/DC设计 来源：ADI

紧接PFC后的高压DC/DC部分亦是氮化镓的应用舞台。例如，基于谐振LLC的拓扑结构的DCDC，如果采用氮化镓芯片，不仅可以在效率方面更好，还可以提高功率密度。

如果在PFC和高压DC/DC中都采用氮化镓作为开关器件，则AC/DC系统的体积可以大大缩小。例如肯微科技采用GaN Systems的氮化镓芯片设计的一款3KW服务器AC/DC电源单元，较同样体积的传统电源功率密度提高了50%。

基于 Si 和 GaN 的LLC 的效率与功率密度对比，以及AC/DC的系统尺寸对比 来源：英飞凌，GaN Systems, 肯微科技

如果比较基于氮化镓和碳化硅的AC/DC的话，当工作频率升高时，碳化硅系统效率的降低快于氮化镓系统。因此，如果系统要求工作频率高于200KHz，或者对轻载至半载效率有要求，则在两种第三代半导体中首选氮化镓。如果工作时环境温度高，或是干扰大，则碳化硅更有优势。

因为碳化硅主要用于高压场合，在48V到12V的低压DCDC中采用氮化镓芯片更为合适。例如1kW 四分之一砖的48V到12V DC/DC中，采用CoolGaN可以减少5%的损耗，在轻载时提高至多0.4%左右的效率。EPC也提供采用100V和40V氮化镓FET的1kW和300W 48V-12V DC/DC设计方案，尺寸仅有八分之一砖或十六分之一砖大小，满载效率分别达到97%和95%。

使用80V OptiMOS 5和CoolGaN的1kW ¼砖48V-12V DC/DC的效率比较 来源：Bodo’s Power

综上可见，碳化硅和氮化镓技术在服务器电源中具备一些传统硅器件没有的优点，带来效率提高和功率密度增加。这也是为什么多家第三代半导体领军企业如纳微半导体和英飞凌等，都将服务器电源领域看作氮化镓和碳化硅应用的下一个热点，值得读者关注。

小结：本文简单回顾了数据中心服务器电源的架构，并介绍了碳化硅和氮化镓开关器件在其中的应用。

参考资料

1. Pedro Fernandez，《Open Rack V2.1 Standard Compliant 48V System Design》，OCP Global Summit 2018
2. Xin Li, Shuai jiang，《Google 48V Rack Adaptation and Onboard Power Technology Update》, OCP Global Summit 2019
3. Arrow，《Silicon Carbide Enables PFC Evolution》
4. Llew Vaughan-Edmunds，《GaN Technology is coming of age as power consumption grows》， Applied Materials
5. 英飞凌，《工程师两难之氮化镓GaN还是碳化硅SiC？到底该pick谁？》
6. Giuseppe Bernacchia，Moshe Domb《How Lightweight 5G is Made Possible by GaN》，Bodo’s Power