在第一部分，我們研究了數據中心架構，并介紹了氮化鎵 (GaN) 功率 IC 及其在第二次電力電子革命中的作用。現在，讓我們看看數據中心本身內支持 GaN 的高效硬件。

具有交流輸入的 GaN

對于傳統的 AC-in 架構，GaN 可用于高頻軟開關拓撲。對于功率因數校正 (PFC) 級，傳統的硬開關、低頻 (47 kHz) 升壓升級為軟開關 MHz“圖騰柱”，DC-DC 級也以類似方式升級。圖 1 顯示了“全 GaN”3.2 kW 方法的示例，具有 MHz 圖騰柱 PFC，然后是 MHz LLC。Navitas 650 V GaN 用于 PFC 和 DC-DC 初級，EPC 80 V GaN 用于 DC-DC 次級側整流。該設計尺寸僅為 1U x 2U x 210 mm (800 cc)，功率密度為 4 W/cc (65 W/in 3 )。

圖 1：3.2 kW AC-54V 轉換器；用于 MHz 圖騰柱 PFC 和 MHz LLC 初級的 650V GaNFast 功率 IC，帶有用于 LLC 次級整流的 100V GaN FET。[北卡羅來納州立大學和德克薩斯大學奧斯汀分校]

在業界，Eltek（臺達電子）于2017年發布了3千瓦Flatpack2 SHE [i]；GaN 基 AC-48/54/60 V 電源系列中的第一個，與早期的硅轉換器相比，它實現了 98% 的效率和 50% 的損耗降低。

具有 400 V DC (HVDC) 輸入的GaN

對于 HVDC，從歐姆定律推導出的基本方程是“功率損耗 = I 2 R”，因此對于每個配電網絡或連接器，保持盡可能高的電壓可以最大限度地減少給定功率的電流，從而減少損耗。HVDC 在數據中心的概念并不新鮮；NTT 早在 1999 年就開始工作[ii]，隨后是勞倫斯伯克利國家實驗室在 2006 年[iii]和英特爾在 2007 年[iv]。然而，數據中心市場保守，變化緩慢。電力成本（以美元/千瓦時為單位）、遵守《巴黎協定》的“凈零”碳排放目標以及使用新技術來放大架構變化的優勢等因素正在加速采用，即 Si-to -氮化鎵。

對于 HVDC 網絡，我們可以使用傳統 AC-48 V直流電源的后 PFC DC-DC“后端”，或者轉向更優化、更精細的方法，其中功率可以轉換為 300 W 的整數（或類似）并位于距離負載最近的點——從而在最高電壓下最大化最長路徑。

在比較一流的硅生產設計 (100 W) 和需要堆疊 PCB 和大型散熱器的硅原型 (300 W) 時，GaN 在此類模塊化設計中的優勢顯而易見。圖 2 顯示了這些硅設計以及使用 NV6117 GaNFast 電源 IC 的新型 400 V、300 W 單 PCB 設計，該設計遵循行業標準的“DOSA”1/4 磚封裝和引出線，便于安裝和升級。在 330-425 V DC的寬范圍內輸入，以及從 -40°C 到 +100°C 的工作溫度，GaN 轉換器在僅 30 cc 的情況下提供完整的 300W 功率而不會降額。這意味著 10 W/cc 的世界一流功率密度，比任何其他符合 DOSA 標準的量產高壓 1/4 磚轉換器高 2 倍的功率。當前的 300W 設計在創紀錄的 400 kHz 工作頻率下使用經過行業驗證的硬開關半橋拓撲，在滿載時效率高達 94.5%。使用軟開關拓撲，可以在 1/4 磚中實現超過 1 MHz 的功率密度目標，并進一步達到 1 kW 的功率密度目標。

圖 2：400 V ? 磚設計：使用 Navitas NV6117 GaNFast 功率 IC 的單 PCB GaN 設計的功率密度 (W/cc) 是任何基于硅的轉換器的 2 倍。[納維達]

從 48 V 到負載的 GaN

對于低壓配電網絡，從 12 V 升級到 48 V 意味著配電損耗減少 16 倍。這種變化是由 IBM 等公司在 2007 年的 Blue Gene/P 超級計算機和 Google 于 2014 年在其香港數據中心率先推出的。隨著 GPU 所需功率的增加，NVIDIA 也將其 GPU 模塊輸入軌從 12 V 至 48 V – 這一變化已擴展到高端筆記本電腦，配備使用 GaNFast 電源 IC 的匹配 300 W AC-48V 適配器。

從 ~48 V 到 CPU、GPU 和內存，可以部署低壓 GaN (<=80 V)。對于 48 V – 6 V 下變頻，GaN 從 27 x 18 mm 開放式框架 DCX (LLC) 以超過 100 W/cc (1700 W/in 3 ) 的功率實現 300 W。獲得處理器電壓（在 100A 以上時低至 0.6V）需要 48V-1.xV 的新拓撲，或者采用由 Intel Haswell 處理器開創并以類似方式先進的新型全集成穩壓器“FIVR”拓撲-集成的高頻解決方案，如 Empower IVR。

GaN 接管（總結）

隨著數據中心流量的加速，硅有效地處理功率的能力擊中了“物理材料”的障礙，而舊的、緩慢的硅芯片被高速氮化鎵超越。數據中心硬件的整合、新的 HVDC 架構方法以及量產、高度集成的 GaN 電源 IC 經驗證的可靠性，可顯著提高效率。這種“快進”意味著向整個電力電子和數據中心行業的碳“凈零”目標又邁進了一步。

審核編輯 黃昊宇