La demanda cada vez mayor de información de nuestra sociedad está aumentando a un ritmo sin precedentes. Esta tendencia de acceso cada vez más rápido a la información a través de nuevas tecnologías, como la computación en la nube y el Internet de las cosas, no muestra signos de desaceleración. Se trata principalmente de racks y racks de servidores ubicados en datos centralizados que permiten la transferencia de información a alta velocidad.
Dr. Alex Lidow, director ejecutivo y cofundador
Dr. David Reusch, Director Ejecutivo de Ingeniería de Aplicaciones
Dr. John Galser, Director de Ingeniería de Aplicaciones
Corporación de conversión de energía eficiente
La demanda cada vez mayor de información de nuestra sociedad está aumentando a un ritmo sin precedentes. Esta tendencia de acceso cada vez más rápido a la información a través de nuevas tecnologías, como la computación en la nube y el Internet de las cosas, no muestra signos de desaceleración. Se trata principalmente de racks y racks de servidores ubicados en datos centralizados que permiten la transferencia de información a alta velocidad.
En 2014, los centros de datos (en los Estados Unidos) consumieron aproximadamente 100 mil millones de kilovatios hora (kWh) de energía. Según Sudeep Pasricha, profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad Estatal de Colorado, “Eso es casi el doble de la energía necesaria para alimentar todo el estado de Colorado durante un año”.
La energía necesaria para respaldar esta demanda en rápido crecimiento proviene de la red y pasa por múltiples etapas de conversión antes de entregar la energía restante a los chips semiconductores digitales. La Figura 1 es un diagrama de este “viaje”. El diagrama también muestra las pérdidas de transmisión y conversión de la planta de energía a los chips de computadora que hacen todo el trabajo.
La multiplicación de estas cifras de eficiencia muestra que la red eléctrica necesitaría entregar 150 vatios de potencia para satisfacer la demanda de un chip digital que solo requiere 100 vatios de potencia. Por lo tanto, el desperdicio total de EE. UU. de la conversión de energía del servidor es de 33 mil millones de kWh, suficiente para alimentar a más de la mitad del estado de Colorado. Pero la energía desperdiciada en general en la granja de servidores es aún mayor. Esto se debe a que cada vatio de energía perdido en la conversión de energía es en realidad energía convertida en calor, y se requiere más energía para eliminar este calor.
La red eléctrica existe desde hace más de un siglo, pero las diversas etapas de conversión se han construido sobre tecnologías basadas en semiconductores desarrolladas después de la Segunda Guerra Mundial. Estos semiconductores se basan en cristales de silicio, y son las propiedades y limitaciones del silicio de la Figura 2 las que dieron forma a la arquitectura de la Figura 1.
Este artículo presenta los beneficios de los convertidores de potencia basados en nitruro de galio en modo mejorado (tecnología eGaN®) en soluciones para arquitecturas de centros de datos y telecomunicaciones existentes centradas en voltajes de entrada de 48 VCC con voltajes de carga tan bajos como 1 VCC. Explore las capacidades de los transistores de potencia GaN de alto rendimiento para permitir nuevos enfoques para alimentar los centros de datos y los sistemas de comunicación con mayores eficiencias y densidades de potencia más altas que las que eran posibles con las arquitecturas anteriores basadas en MOSFET de Si.
eGaN Monolítico de medio puente basado en IC 48 VIN – 1 VOUT POL Convertidor
Desde la adopción de la arquitectura de bus intermedio (IBA) de 12 V, los convertidores de bus ahora se están acercando a un aumento de orden de magnitud en la potencia de salida, desde alrededor de 100 W hasta los diseños actuales de alrededor de 1 kW en un cuarto de ladrillo. Esto significa que la cantidad de corriente extraída del bus de 12 V al convertidor POL también aumenta en un factor de 10, aumentando las pérdidas de conducción del bus en dos órdenes de magnitud si no se reduce la resistencia del bus. Las soluciones basadas en tecnología GaN ya han demostrado mejoras significativas en la eficiencia en comparación con las soluciones basadas en silicio en los sistemas IBA tradicionales. [4].
Sin embargo, con la mayor pérdida de conversión a 48 V,de Los convertidores de bus, la implementación de pérdidas de bus de 12 V en las placas base y el alto rendimiento de la tecnología GaN han llevado a considerar diferentes arquitecturas, como la conexión directa desde 48 V.de Se utiliza un convertidor POL no aislado para aplicar la carga, como se muestra en la parte inferior de la Figura 2.
48 Conversión de VIN directamente a 1 V Evaluaciónafuera, el IC monolítico de medio puente eGaN de 80 V (EPC2105) integrado en la placa de demostración EPC9041 fue elegido por su relación de reducción mucho más alta. Pérdida de potencia y eficiencia general del sistema de 48 V basada en FET eGaNde La figura 3 muestra un convertidor reductor a 1 V de salida operando a frecuencias de conmutación de 300 kHz y 500 kHz. Esta eficiencia es la eficiencia general del sistema, incluidas las pérdidas del inductor (Würth Elektronik 744 301 333), condensador y PCB. A 500 kHz, se logran eficiencias máximas de más del 80 % para sistemas de convertidores reductores completos. Se logra una eficiencia máxima del 84 % para un sistema de convertidor reductor completo a 300 kHz, con una eficiencia de alrededor del 83,5 % a 20 A.
En la Figura 3 se muestra una comparación de la eficiencia estimada y la densidad de potencia de un convertidor POL de 48 VIN a 1 VOUT de una sola etapa y un enfoque IBA tradicional de dos etapas que utiliza el mejor diseño basado en tecnología GaN y se resume en la tabla a continuación (silicio- Las soluciones basadas en tecnología GaN son significativamente menos eficientes que estas soluciones basadas en tecnología GaN). Los convertidores de potencia IBA basados en IC de GaN tienen una mejora de eficiencia estimada del 1,5 % con respecto a los 48 V directos.de ~1Vafuera conversación. Sin embargo, sumando la pérdida del bus de 12 V, que se estima en un 2%, la eficiencia del sistema global es muy similar.
La arquitectura de bus de CC también tiene una ventaja de costos, ya que se puede reducir el costo del IBC y se puede evitar el aumento del costo de 48 V.de Convertidor POL de 12 V o superiorde Los convertidores POL son mínimos ya que utilizan una cantidad similar de dispositivos de alimentación, controladores y controladores.
La Figura 5 vuelve a visitar la Figura 1 mientras aplica la eficiencia de una sola etapa demostrada en los circuitos integrados eGaN. Los ahorros directos de eliminar solo la última etapa de la arquitectura de energía de la granja de servidores no son solo ahorros de costos, sino una reducción del 7 % en el consumo de energía, o $7 mil millones por año en comparación con la energía actual basada en silicio. También hay ahorros directos de kWh. Resuelto. Agregue los costos de energía para el aire acondicionado dentro de las granjas de servidores, y los ahorros son aún mayores en más del 10% de los 100 mil millones de kWh consumidos por los servidores solo en los Estados Unidos.
El impacto de la tecnología eGaN en el mundo posterior al silicio es incluso mayor que los ahorros posibles en las granjas de servidores de EE. UU. en la actualidad, y es solo un ejemplo del impacto que tendrá esta nueva tecnología emergente en el uso eficiente de la energía. La tecnología eGaN ofrece un camino hacia semiconductores de mayor rendimiento, reabriendo la posibilidad de que la Ley de Moore impulse la innovación de la misma manera que la Ley de Moore descarrila. Por ejemplo, la tecnología eGaN está habilitando nuevas aplicaciones como la transferencia de energía inalámbrica, 5G celular, autos sin conductor y colonoscopias. Y a medida que la industria electrónica adquiere experiencia y conocimiento de sus capacidades inherentes de alto rendimiento, los dispositivos semiconductores eGaN de alto rendimiento resultantes han evolucionado más allá de lo que trajeron sus predecesores de silicio en la era posterior a la Segunda Guerra Mundial y también permitirán muchas aplicaciones inesperadas.