引言

近年來，電信市場正在朝云計算的方向轉變，這導致超大規模數據中心空前快速的增長，而每個機架需要處理的功能也越來越多。

反過來，這種趨勢也意味著對功率的需求快速增加，而重點則是采用消耗更少電力的更高效、體積更緊湊的電源。散熱同樣是這里需要考慮的另一個基本要素，目的是盡可能減少對于冷卻元件的需求。隨著每個機架的功率需求猛增到20kW甚至更高，產業中已經呈現的趨勢是從傳統的12V電源轉移到48V，從而能夠減少損耗。但是，這些還遠遠不夠，需要更多的改進。

同時，電信應用也要求更大的功率和更高的效率，尤其是需要支持最近推出的5G。電信設備主要以-48V的行業標準供電，而電源的輸出范圍通常為40V～60V。

盡管現有基于硅（Si）的解決方案在效率和密度上都在穩步提高，但是通過這種技術所能達到的目標非常有限，而氮化鎵（GaN）器件則被越來越多地用來滿足服務器和電信市場在密度和效率方面非常具有挑戰性的要求。

氮化鎵器件具有許多比硅器件更有優勢的電氣特性。首先，氮化鎵高電子遷移率晶體管（HEMT）具有低一個數量級的柵極電荷和輸出電荷，以及幾乎為零的反向恢復電荷。所有這些使反向導通器件的硬換向（hard commutation）成為可能，因此可以采用更簡單的拓撲結構，例如具有梯形波電流調制的圖騰柱PFC級。

通過降低開關損耗，并允許更高的開關頻率，在許多應用中，氮化鎵器件可以提供比硅器件更高的效率以及更高的功率密度。不利的一面是，氮化鎵開關器件比硅器件更加昂貴，因而可能會增加電源總體成本。

成本和效率分析

業界自然關注的一個問題是，這種基于氮化鎵的電源解決方案需要的較高初始資本支出（CapEx）是否值得。為了對此問題進行分析，有必要檢查對比一下基于氮化鎵和硅器件的類似設計解決方案的總體擁有成本（TCO）。

考慮到可能影響電源性能的各種參數的數量，要證明這一點顯然非常具有挑戰性。進行此項分析的一種方法是使用Pareto優化（Pareto optimization），這是一種系統地考慮工程設計中多個目標的方法。在這種情況下，重點關注的主要結果將是效率、功率密度和總體擁有成本。

這種方法能夠以一種系統的方式來評估多個參數，例如不同拓撲或配置中元器件的組合，以及選擇最佳解決方案，可以避免依靠“直覺（gut feel）”或粗略的計算，并且使我們能夠同時更精確地分析不同因素之間的平衡取舍。

例如，基于氮化鎵的解決方案可以實現98.1％的效率，而硅器件的效率為97.6％，效率的提升看似微不足道，但這意味著損耗降低了五分之一（從2.4％減少到1.9％，減少了0.5％）。盡管如此，如果不使用Pareto優化，也很難評估這種改進是否值得。

如圖1所示，這是一個典型的電信電源，其標稱輸入電壓為230VRMS，并提供43V～58V（標稱值為54V）的輸出電壓。該示例還定義了3kW的最大輸出功率，且在此功率下保持時間（hold-up time）為10ms。應該注意的是，即使我們在此示例中選擇了電信電源，其結果也可以應用于提供48V輸出電壓的數據通信電源。由于服務器電源通常包括附加的ORing功能，因此需要考慮一些少量的附加損耗。

圖1：電源設計示例。

為了進行這項分析，其中采用了具有圖騰柱功率因數校正（PFC）和一個LLC拓撲的電源設計。針對基于氮化鎵的設計，選擇具有固定開關頻率的連續導通模式（CCM）用于PFC調制，而對于基于硅的系統，則使用能夠實現軟開關的三角波電流模式（TCM）。為了模擬典型的使用條件，考慮50％負載，230Vin和54Vout時的電路特性。

假設使用壽命為七年，電費為0.10US$/kWh，數據中心的用電效率（PUE）為1.5。成本是從數據中心運營商的角度進行計算，并考慮了電源供應商25％的毛利率。這些計算還考慮到控制損耗、冷卻系統、大約20％的空氣量和部件占用空間，以及外殼、連接器、PCB和制造等成本。

多目標Pareto分析

為了進行分析，在組件和系統級都檢查了各種選項。這些包括：

• LLC中圖騰柱高頻腳、EMI級、并聯轉換器級和矩陣變壓器的數量

• AC/DC級的開關頻率（50kHz～150kHz）和DC/DC級的諧振頻率（50kHz～350kHz）

• 被動組件的值

• 電感、變壓器和電容器設計

基于這些變量通過研究所有可能的設計變體，可以計算出各種方案的總體性能。進一步通過仿真可以得到每種設計的效率、體積大小和成本，然后可以將其與特定的財務假設結合起來以計算總體擁有成本。

為了提供可靠的結果，仿真需要考慮許多不同的因素，這些包括從考慮電氣模型，分析不同電感器的損耗、體積和成本如何變化，到各種組件的熱性能和磁性能等。

通過分析可產生一個“ Pareto曲面”，也稱為“ Pareto邊界”，它以圖形化繪制的方式顯示了最佳設計選擇。對于這些最佳方案中的每一個，如果要更改任何設計因素以改善性能的某一個方面，則性能的另一方面會肯定變差。就像在現實生活中一樣，設計工程師在選擇最佳解決方案時需要在各個方面進行權衡。

分析結果：GaN的優勢

在230Vin和50％負載下評估54Vout的設計，其效率和功率密度關系如圖2所示。針對基于氮化鎵和硅器件設計的每個仿真，都在圖上放置一個紅色（氮化鎵）或藍色（硅）點，以表示其達到的效率和功率密度。

圖2：一系列基于氮化鎵和硅器件的54Vout設計效率與功率密度。

由此可以確定硅和氮化鎵設計在效率和功率密度方面的“Pareto最優”解決方案（見圖3）。這意味著對于任何給定的功率密度值，都會在圖中繪制出具有最高效率的設計。

圖3： Pareto最優的最高效率氮化鎵和硅設計比較。

顯然，氮化鎵解決方案在所有功率密度下都具有更高效率。在高效率區域，優勢約為0.4％，而在高密度區域（效率較低）中，與硅相比，氮化鎵的改進約為0.8％。除此之外，就基于氮化鎵的設計而言，其可實現的最大功率密度比硅器件方案高出近10W/英寸3。

由此可以考慮對財務方面的影響。為了使圖形僅包含兩個變量，我們僅考慮具備特定功率密度80W/英寸3的設計。應當注意，對于其他功率密度也可以得到類似的結果。通過保持功率密度恒定，可以依據總體擁有成本繪制一個圖表（見圖4）。

在這里，總體擁有成本是通過考慮具有最低初始成本（但不一定是最低總體擁有成本）的硅設計來歸一化，因而形成基準于100％的曲線。結果表明，隨著效率的提高，氮化鎵和硅的總體擁有成本都在下降。可以看出，效率為97.35％的氮化鎵解決方案比最佳的硅解決方案總體擁有成本改善了13％。

圖4：與最高效的硅解決方案相比，最高效的80W/英寸3功率密度氮化鎵設計可使總體擁有成本改善13％。

除了能夠顯著提高效率外，轉化為熱量的功率消耗也更小，從而減少了電費，并降低了對于冷卻組件的要求。與基于硅的設計相比，氮化鎵器件的上述優勢勝過了其較高的初始成本。

結論

在我們考慮電源的拓撲架構、組件、相關成本和能耗時，英飛凌進行的Pareto分析表明，至少在高功率密度應用中，基于氮化鎵的開關器件比基于硅的設計能夠實現更低的總體擁有成本。隨著市場不斷轉向更高功率密度設計，這意味著氮化鎵器件的優勢將進一步提高。

雖然基于氮化鎵的電源初始成本比使用硅器件的解決方案要高，但氮化鎵解決方案將在更高效率、更緊湊的體積大小、以及更低的控制復雜性等方面帶來優勢。在討論電源投資時，通過考慮總體擁有成本，而不是簡單的初始投入，可以看出，基于氮化鎵的解決方案將在未來幾年成為電源采購工程師的重點選擇。

當然，確切的財務收益將取決于具體應用和特定的電力成本，但是在當今的大功率電信和服務器應用中，氮化鎵開關器件可以節省大量資金。幾乎同樣重要的是，通過使用Pareto優化，可以事先證明這些節省確實可行，從而可以為基于氮化鎵的解決方案組合一個可靠的業務案例，也能夠證明其稍高的初始成本如何得到有效分擔。