当转换效率提升到99%以上，数据中心会发生什么？

原创 Qorvo半导体 2023-12-15 17:06

近日，中国首座百米超高层数据中心——深圳前海信息枢纽大厦完成竣工验收，将集成大数据、人工智能、物联网、区块链等新概念，构建智慧城市的数据存储、数据整合、数据分析、数据传输、数据安全等技术基础。该数据中心在能耗控制、低碳发展等方面进行了大胆创新和实践，例如项目贯彻全封闭式“保温箱”设计理念，将机房功能布置在建筑平面的中心部位，实现建筑节能；地下空间附建集中供冷站，提高能源利用率等。

其实，数据中心的能源利用一直是“老大难”问题。研究表明，空调系统是数据中心提高能源效率的重点环节，因为它所产生的功耗约占数据中心总功耗的40%以上。除了优化散热设计（如采用液冷散热设计），若能进一步提高数据中心、服务器的电源系统能效，就能减少设备机组的发热量，减少空调系统的功率，降低数据中心的PUE值（Power Usage Effectiveness）。

为了节省能源，减少能耗，服务器电源行业对整机效率的要求在逐步提高，如早期的80PLUS白金电源要求50%负载效率达到94%，近年又提出了80PLUS钛金电源，其要求提升到了50%负载效率达到96%。传统的Si基SJ MOSFET器件需要在电源拓扑结构和功率器件选型上付出很大代价才有可能实现，这样的方案设计难度和调试难度也会非常大。为了突破能效转换的“天花板”，以SiC、GaN为代表的第三代功率半导体正是当下破题的关键！

注：PUE是评价数据中心能源效率的指标，是数据中心消耗的所有能源与IT负载使用的能源之比；它的基准是2，越接近1表明能效水平越好。

向99%转换效率迈进

在知名媒体“行家说三代半”主办的『2023碳化硅&氮化镓产业高峰论坛』上，Qorvo高级应用工程师周虎分享道：“以大型数据中心为例，若把电源系统的硅功率器件全部替换为碳化硅（SiC），就能带来0.8个百分点的整体能效提升。同时，使用SiC功率器件可以在每瓦时用电量上节约0.05美元的成本，按照100兆瓦规模的数据中心、运行十年时间来估算，可以节省多达700万美元的运营支出。”

对比硅器件，在数据中心、服务器电源中使用SiC功率器件不仅可以提高电源转换效率，还有诸多好处，包括：

高功率密度 - SiC和Si在相同输出功率下，SiC电源方案可以采用更高开关频率，因此体积更小；或者说相同体积下，SiC电源方案可以提供更高的输出功率。以数据中心运营者的角度，购买更少的电源模块、即可满足功率需求，而且部署所占用的空间也更小。
减少被动元器件的体积 - 在相同的电路中，SiC方案的拓扑可以比Si方案更加简约，且可以采用更高的开关频率。这样可以减少元器件的数量、降低拓扑的复杂度，或者减少感量/容量，降低BOM成本，也减小了体积。
自动化装配 - SiC方案的体积更小、更紧凑。以电源生产商的角度，采用SMT生产线的自动化装配方式，有助于提高电源产品的生产效率和稳定性，降低人工成本。
更好的可靠性 - SiC耐压强度高、热传导率高、且开关速度快、可用于开关频率高的应用。在相同封装、相同工况下，SiC器件的芯片温度比Si器件更容易控制，这也相应提高了产品的可靠性等。

2022年11月1日，国家标准《数据中心能效限定值和能效等级》（GB 40879—2021）在全国范围强制实施。标准将数据中心能效等级分为3级，1级表示能效最高，PUE不应大于1.20，2级能效的PUE不应大于1.30，3级能效的PUE不应大于1.50。“在政策的推动下，为了实现更低的PUE，数据中心趋于采用高能效SiC电源方案已经是大势所趋。”周虎表示，“Qorvo已经携手合作伙伴台达电子，将Qorvo独有的SiC FET技术应用于服务器电源、数据中心等场合，客户反馈使用效果非常好。”

在下图的参考设计中，基于Qorvo 750V SiC FET的3.6kW图腾柱无桥PFC方案可实现最高99.37%的转换效率，整体尺寸仅为260 x 102 x 60 mm³，具备重量轻、体积小、高功率密度等优点，可以轻松打造符合80PLUS钛金电源规范的高性能产品方案。

Qorvo SiC电源方案布局

Yole Development预测，SiC功率器件的全球市场规模有望从2021年的10.9亿美元，增长至2027年的62.97亿美元，年复合增长率预计达到34%。

随着碳化硅材料的兴起，Qorvo SiC产品拥有超过20年技术沉淀的优势正在加速市场转化，帮助客户获得商业成功。周虎表示：“Qorvo携手产业链合作伙伴，长期聚焦汽车、电池充电、IT基础设施、可再生能源、电路保护等领域的SiC创新应用，把握功率半导体技术的大趋势，在双碳的发展背景下，助力实现节能减排的最终目标。”