I semiconduttori ad ampio bandgap favoriscono l'efficienza dei data center

I data center svolgono un ruolo cruciale ed essenziale in un mondo sempre più digitale, connesso e virtualizzato. Poiché i data center hanno un enorme fabbisogno energetico, sono necessarie soluzioni di alimentazione in grado di ridurre le perdite di energia, aumentare l'efficienza e migliorare il controllo termico.

Il traffico su Internet è cresciuto notevolmente negli ultimi tempi a causa del maggior numero di utenti, della diffusione dei dispositivi mobili e dell'uso dei social, ma anche della memorizzazione remota delle informazioni nel cloud. Secondo gli analisti, la crescita di questo traffico deve ancora raggiungere la piena saturazione.

Queste previsioni di crescita sollevano questioni relative all'efficienza delle apparecchiature e al consumo di elettricità, il che stimola lo sviluppo di nuove tecnologie di conversione di potenza ad alta efficienza energetica, come quelle offerte dai dispositivi di alimentazione ad ampio bandgap (WBG).

L'efficienza è fondamentale

Oltre all'infrastruttura fisica, un data center è una struttura che ospita server informatici connessi in rete per l'elaborazione elettronica, la memorizzazione e la distribuzione dei dati. Il componente chiave di un data center è il server, un dispositivo che memorizza i dati che alimentano Internet, il cloud computing e le intranet aziendali.

Il fabbisogno energetico è in aumento a causa del crescente volume di dati digitali creati, elaborati e archiviati. Oltre ad alimentare i rack, la memorizzazione dei dati e le unità di rete, i data center necessitano anche di apparecchiature ausiliarie di raffreddamento e ventilazione per dissipare il calore prodotto durante l'elaborazione dei dati e la conversione dell'energia elettrica.

La struttura tipica di un sistema di conversione di potenza utilizzato in un data center comprende diversi convertitori di tensione c.a./c.c., c.c./c.a. e c.c./c.c., da cui dipende strettamente l'efficienza dell'intero data center. La riduzione delle perdite nei convertitori che alimentano i dispositivi di elaborazione e memorizzazione dei dati presenta due vantaggi fondamentali. In primo luogo, non è necessario fornire l'energia che non viene convertita in calore; in secondo luogo, si riduce l'energia necessaria per smaltire il calore residuo.

L'efficienza dei data center viene spesso misurata sul parametro di efficacia di utilizzo dell'energia (PUE). Sviluppato da The Green Grid come metodo standard per confrontare il consumo energetico dei data center, il PUE è definito come il rapporto tra il consumo energetico complessivo del data center e il consumo energetico delle apparecchiature informatiche (IT).

La misura del PUE è una statistica abbastanza elementare per identificare le aree da sviluppare. Nonostante non sia una metrica perfetta, è ora uno standard del settore. Il PUE dovrebbe essere idealmente vicino all'unità, il che significa che il data center richiede elettricità solo per supportare la sua domanda IT. Tuttavia, secondo il National Renewable Energy Laboratory (NREL)2, il PUE medio è di circa 1,8. I valori PUE dei data center variano molto, ma i data center incentrati sull'efficienza raggiungono spesso valori PUE di 1,2 o inferiori.

Un PUE elevato può avere diverse cause, tra cui:

• Server "zombie" (o "comatosi") e gruppi di continuità (UPS), vale a dire apparecchiature accese ma non completamente utilizzate. Comprende dispositivi involontariamente inattivi che consumano elettricità senza visibilità o comunicazioni esterne
• Strategie di backup e raffreddamento inefficienti
• I data center puntano più sull'affidabilità che sull'efficienza

L'aggiunta di comandi a frequenza variabile (VFD) alle ventole di raffreddamento e la riduzione del numero di server e UPS sono due metodi comuni per ridurre il PUE. Negli ultimi anni, il passaggio dalle architetture tradizionali a 12 V a soluzioni più efficienti a 48 V (Figura 1) ha ridotto le perdite di potenza (perdite I2R), fornendo soluzioni più efficienti ai sistemi di elaborazione sempre più esigenti. L'utilizzo di 48 V nell'architettura di potenza comporta perdite I2R di sedici volte inferiori. Ciò contribuisce a soddisfare i requisiti di efficienza energetica sempre più rigorosi, considerando che un miglioramento dell'efficienza dell'1% può far risparmiare diversi kilowatt all'intero data center.

Figura 1: I semiconduttori WBG offrono prestazioni migliori rispetto al silicio. (Immagine per gentile concessione di Researchgate)

Vantaggi dei semiconduttori WBG nei data center

Sebbene il silicio (Si) sia la tecnologia più conosciuta, ha un bandgap minore rispetto ai materiali ad ampio bandgap (WBG), come il nitruro di gallio (GaN) e il carburo di silicio (SiC), che abbassano la temperatura di funzionamento, limitano l'uso a tensioni inferiori e riducono la conducibilità termica.

L'adozione di dispositivi di alimentazione più efficaci, come i semiconduttori WBG al posto del silicio, può essere un'alternativa più efficace. I semiconduttori WBG, come il GaN e il SiC, permettono di superare i limiti della tecnologia del silicio, fornendo elevate tensioni di rottura, alta frequenza di commutazione, basse perdite di conduzione e di commutazione, migliore dissipazione del calore e fattore di forma più compatto (Figura 1). Ciò si traduce in una maggiore efficienza degli stadi di alimentazione e di conversione di potenza. Come già detto, in un data center anche un solo punto percentuale di aumento dell'efficienza può tradursi in un sostanziale risparmio energetico.

GaN

Il GaN è una classe emergente di materiali ad ampio bandgap perché ha un bandgap elettronico tre volte più grande (3,4 eV) del silicio (1,1 eV). Inoltre, il GaN ha una mobilità degli elettroni doppia rispetto al silicio. La ben nota e impareggiabile efficienza del GaN a frequenze di commutazione molto elevate è possibile per via della straordinaria mobilità degli elettroni.

Queste proprietà consentono ai dispositivi di alimentazione basati su GaN di resistere a campi elettrici più intensi in uno die di dimensioni ridotte. I transistor più piccoli e i percorsi di corrente più brevi si traducono in resistenze e capacità bassissime, consentendo velocità di commutazione fino a 100 volte superiori.

La riduzione della resistenza e della capacità aumenta anche l'efficienza della conversione di potenza, fornendo più energia ai carichi di lavoro nei data center. Invece di produrre più calore, che richiederebbe un maggior raffreddamento del data center, è possibile eseguire più operazioni per watt. La commutazione di frequenza ad alta velocità riduce anche le dimensioni e il peso dei componenti passivi che immagazzinano energia, perché ogni ciclo di commutazione immagazzina sostanzialmente meno energia. Un altro vantaggio del GaN è la sua capacità di supportare diverse topologie di convertitori e alimentatori.

Le caratteristiche principali del GaN per le applicazioni dei data center sono le seguenti:

• Supporto di topologie hard e soft-switching
• Accensione e spegnimento rapidi (la forma d'onda di commutazione GaN è quasi identica all'onda quadra ideale)
• Zero carica di recupero inverso
• Rispetto alla tecnologia Si:
  • Campo di cedimento 10 volte superiore
  • Mobilità 2 volte superiore
  • Carica di uscita 10 volte inferiore
  • Carica del gate 10 volte inferiore e caratteristica Coss lineare

Queste caratteristiche consentono ai dispositivi di alimentazione GaN di realizzare soluzioni di:

• elevata efficienza, densità di potenza e frequenze di commutazione
• fattore di forma e resistenza nello stato On ridotti
• peso contenuto
• funzionamento di commutazione quasi senza perdite.

Una tipica applicazione finale per i dispositivi di alimentazione GaN è mostrata nella Figura 2. Questi stadi PFC totem pole senza ponte ad alta tensione e gli stadi LLC risonanti ad alta tensione sono in grado di soddisfare i rigorosi requisiti degli SMPS per server, raggiungendo un'efficienza piatta superiore al 99% su un ampio intervallo di carico e un'elevata densità di potenza.

Figura 2: Alimentatore a commutazione (SMPS) GaN ad alta efficienza per server di data center (Immagine di Infineon)

SiC

Storicamente, una delle prime applicazioni dei dispositivi di alimentazione SiC nei data center ha riguardato le apparecchiature UPS. L'UPS è essenziale per i data center per prevenire gli effetti potenzialmente disastrosi di un guasto o di un'interruzione della tensione di rete. La ridondanza dell'alimentazione è fondamentale per garantire la continuità operativa e l'affidabilità di un data center. L'ottimizzazione dell'efficacia del consumo energetico (PUE) del data center è una priorità per ogni imprenditore e direttore delle operazioni.

Un data center richiede una fonte di alimentazione affidabile e costante. Per soddisfare questo requisito vengono spesso utilizzati sistemi UPS indipendenti da tensione e frequenza (VFI). Un convertitore c.a./c.c. (raddrizzatore), un convertitore c.c./c.a. (inverter) e un circuito intermedio insieme costituiscono un dispositivo UPS VFI. Un interruttore di bypass, utilizzato principalmente durante la manutenzione, collega l'uscita dell'UPS direttamente alla fonte di alimentazione c.a. in ingresso. In caso di interruzione dell'alimentazione di rete, la batteria, tipicamente composta da molte celle, si collega a un convertitore buck o boost e fornisce energia all'alimentatore.

Poiché la tensione alternata in ingresso viene convertita in tensione continua e poi di nuovo in una tensione di uscita esattamente sinusoidale, questi dispositivi sono in genere circuiti a doppia conversione. Il risultato elimina qualsiasi variazione della tensione di alimentazione, consentendo all'UPS di fornire al carico un segnale costante e pulito. Oltre a isolare il sistema dalla fonte di alimentazione, il processo di conversione della tensione protegge il carico dalle fluttuazioni di tensione.

Fino a poco tempo fa, i transistor bipolari a gate isolato (IGBT) con topologie di commutazione a tre livelli producevano i risultati migliori in termini di efficienza. Grazie a questo approccio sono stati raggiunti livelli di efficienza del 96%, un miglioramento significativo rispetto ai precedenti modelli basati sui trasformatori.

I transistor al carburo di silicio hanno permesso di ridurre significativamente (>70%) le perdite di potenza e di aumentare l'efficienza dei sistemi UPS a doppia conversione. Questa notevole efficienza (oltre il 98%) persiste anche in scenari di carico basso e alto.

Risultati di questo tipo sono possibili grazie alle proprietà intrinseche del carburo di silicio. Rispetto ai dispositivi tradizionali basati sul silicio, come i MOSFET e gli IGBT, il SiC può funzionare a temperature, frequenze e tensioni più elevate.

Un ulteriore vantaggio degli UPS basati sul SiC è un migliore valore di perdita di calore (o reiezione del calore), che consente il funzionamento a temperature più elevate. Questa caratteristica consente ai progettisti di adottare soluzioni di raffreddamento più compatte ed economiche. Nel complesso, un UPS basato su SiC è più efficiente, più leggero e più piccolo di un modello equivalente con componenti basati sul silicio.

I semiconduttori basati sul SiC possono funzionare a temperature più elevate rispetto ai tradizionali semiconduttori Si, grazie alle loro proprietà intrinseche. I costi di raffreddamento possono quindi essere ridotti grazie alla minore perdita di calore e alla capacità dell'UPS di funzionare a temperature più elevate.

Per massimizzare lo spazio disponibile in un data center, un UPS basato sul SiC riduce il peso e le dimensioni rispetto a un UPS convenzionale basato sul SiC. Inoltre, un UPS basato sul SiC richiede uno spazio minore, aumentando la capacità di alimentazione disponibile in una determinata area.

Conclusione

In sintesi, i materiali WBG, come il GaN e il SiC, sono semiconduttori emergenti che stabiliranno una nuova traiettoria per l'elettronica di potenza in applicazioni esigenti come i data center. I loro vantaggi includono una maggiore efficienza del sistema, minori requisiti del sistema di raffreddamento, funzionamento a temperature più elevate e maggiore densità di potenza. Con l'integrazione dei dispositivi di alimentazione GaN e SiC nei convertitori di tensione e negli alimentatori, gli operatori dei data center puntano a ottenere una maggiore efficienza, massimizzare lo spazio a terra e ridurre i costi operativi della struttura.