为什么选择氮化镓？浅谈氮化镓在数据中心的应用

从CPU，GPU，内存，网络等方面的数据处理以及从高压AC一直进行电源转换的角度来看，“硅芯片”一直是数据革命的支柱，实际上是推动这一革命的推动力。降至微处理器所需的1V。问题在于，作为功率转换平台的硅已经达到其物理极限，现在该是一种新的半导体-氮化镓（GaN）取代了的时候了。全球范围内的Si-GaN数据中心升级将减少30-40％的能量损失，这意味着到2030年将节省超过100 TWh和125吨的CO 2排放量。

数据中心整合–超大规模

随着互联网协议（IP）流量的持续增长，规模经济意味着数据中心正在整合为“超大规模”运营（图1）。这些设施是从头开始构建的，因此与旧式或翻新的电源解决方案无关。

图1：年度IP流量增加和“超大规模”数据中心的崛起（思科）

服务器和电信架构的整合– HVDC

让我们看一下数据中心的架构，以及GaN可以在其中减少损耗，从而节省金钱和自然资源的架构。对于服务器，这通常是空调房间中的AC到12 V DC，而对于传统的低功能（例如，仅语音）电信系统，这是远程潮湿的“蜂窝塔”，需要AC进行“防腐蚀” ，负参考48 V DC用于备用电池。随着通信量的增加，大多数电信系统已经超过了原来的“仅蜂窝塔式”结构，现在处于类似的“干净”环境中，因此48V可以是正参考电压，并且可以使用类似的系统组件作为服务器。由于预测显示从2015年到2025年仅10年内数据流量将增长30倍，因此这一趋势有望继续。在合并方法中，我们还可以受益于从交流配电过渡到400 V直流配电的方法，如图2所示。 。

图2：将服务器AC和电信48 VDC架构整合到400 VDC HVDC系统中。[NTT]

为什么选择氮化镓？

镓（Ga，原子序数31）和氮（N，7）结合在一起成为半导体材料-氮化镓（GaN）-像硅（Si，14）一样。GaN是一种“宽带隙”材料，因为它提供的电子带隙比硅大3倍，这意味着它可以用大得多的芯片来处理大电场。凭借更小的晶体管和更短的电流路径，可实现超低电阻和电容，同时实现高达100倍的更快开关速度。低电阻和低电容可转化为更高的电源转换效率，因此可将更多的电源传递给IT负载。这意味着每瓦更多的功能或更多的“操作”，而不是将能量消耗为热量，从而使系统变暖并产生更多的制冷（空调）工作量。此外，高速（频率）切换意味着尺寸更小， 

GaN作为功率元件构建块的实用且高性能的实现方式处于集成解决方案中，即Navitas Semiconductor的GaNFast电源IC。此处，GaN电源（FET），驱动，控制和保护高度集成，以创建易于使用的高性能，高频（2 MHz），“数字输入，输出”构建模块。GaN功率IC是功率电子技术第二次革命的催化剂。

图3：电力电子技术的两次革命，伴随着新的开关材料，集成，新的磁学和新的拓扑结构的“完美风暴”，从学术界向工业界过渡。每次旋转的结果显着提高了开关频率，效率，功率密度并大大降低了成本。2014年Navitas半导体公司的加入标志着GaN功率IC的推出。[Navitas]

“第二次革命”开始于移动快速充电器市场，售后配件公司如Anker，AUKEY和Belkin提供了30至100W的单端口和多端口GaN基充电器。联想，戴尔，小米，OPPO和华硕等一级OEM随后发布了功率高达300W的智能手机和笔记本电脑充电器。现在，已经有超过900万个GaNFast电源IC出现了零现场故障和超过170亿个设备现场小时。可靠性数据是保守的“关键任务”数据中心市场采用氮化镓的关键基础。

编辑：hfy