2019年12月18日 | 基于氮化镓的电源解决方案总体拥有成本评估

引言

近年来，电信市场正在朝云计算的方向转变，这导致超大规模数据中心空前快速的增长，而每个机架需要处理的功能也越来越多。

反过来，这种趋势也意味着对功率的需求快速增加，而重点则是采用消耗更少电力的更高效、体积更紧凑的电源。散热同样是这里需要考虑的另一个基本要素，目的是尽可能减少对于冷却元件的需求。随着每个机架的功率需求猛增到20kW甚至更高，产业中已经呈现的趋势是从传统的12V电源转移到48V，从而能够减少损耗。但是，这些还远远不够，需要更多的改进。

同时，电信应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。电信设备主要以-48V的行业标准供电，而电源的输出范围通常为40V～60V。

尽管现有基于硅（Si）的解决方案在效率和密度上都在稳步提高，但是通过这种技术所能达到的目标非常有限，而氮化镓（GaN）器件则被越来越多地用来满足服务器和电信市场在密度和效率方面非常具有挑战性的要求。

氮化镓器件具有许多比硅器件更有优势的电气特性。首先，氮化镓高电子迁移率晶体管（HEMT）具有低一个数量级的栅极电荷和输出电荷，以及几乎为零的反向恢复电荷。所有这些使反向导通器件的硬换向（hard commutation）成为可能，因此可以采用更简单的拓扑结构，例如具有梯形波电流调制的图腾柱PFC级。

通过降低开关损耗，并允许更高的开关频率，在许多应用中，氮化镓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，氮化镓开关器件比硅器件更加昂贵，因而可能会增加电源总体成本。

成本和效率分析

业界自然关注的一个问题是，这种基于氮化镓的电源解决方案需要的较高初始资本支出（CapEx）是否值得。为了对此问题进行分析，有必要检查对比一下基于氮化镓和硅器件的类似设计解决方案的总体拥有成本（TCO）。

考虑到可能影响电源性能的各种参数的数量，要证明这一点显然非常具有挑战性。进行此项分析的一种方法是使用Pareto优化（Pareto optimization），这是一种系统地考虑工程设计中多个目标的方法。在这种情况下，重点关注的主要结果将是效率、功率密度和总体拥有成本。

这种方法能够以一种系统的方式来评估多个参数，例如不同拓扑或配置中元器件的组合，以及选择最佳解决方案，可以避免依靠“直觉（gut feel）”或粗略的计算，并且使我们能够同时更精确地分析不同因素之间的平衡取舍。

例如，基于氮化镓的解决方案可以实现98.1％的效率，而硅器件的效率为97.6％，效率的提升看似微不足道，但这意味着损耗降低了五分之一（从2.4％减少到1.9％，减少了0.5％）。尽管如此，如果不使用Pareto优化，也很难评估这种改进是否值得。

如图1所示，这是一个典型的电信电源，其标称输入电压为230VRMS，并提供43V～58V（标称值为54V）的输出电压。该示例还定义了3kW的最大输出功率，且在此功率下保持时间（hold-up time）为10ms。应该注意的是，即使我们在此示例中选择了电信电源，其结果也可以应用于提供48V输出电压的数据通信电源。由于服务器电源通常包括附加的ORing功能，因此需要考虑一些少量的附加损耗。

图1：电源设计示例。

为了进行这项分析，其中采用了具有图腾柱功率因数校正（PFC）和一个LLC拓扑的电源设计。针对基于氮化镓的设计，选择具有固定开关频率的连续导通模式（CCM）用于PFC调制，而对于基于硅的系统，则使用能够实现软开关的三角波电流模式（TCM）。为了模拟典型的使用条件，考虑50％负载，230Vin和54Vout时的电路特性。

假设使用寿命为七年，电费为0.10US$/kWh，数据中心的用电效率（PUE）为1.5。成本是从数据中心运营商的角度进行计算，并考虑了电源供应商25％的毛利率。这些计算还考虑到控制损耗、冷却系统、大约20％的空气量和部件占用空间，以及外壳、连接器、PCB和制造等成本。

多目标Pareto分析

为了进行分析，在组件和系统级都检查了各种选项。这些包括：

• LLC中图腾柱高频脚、EMI级、并联转换器级和矩阵变压器的数量

• AC/DC级的开关频率（50kHz～150kHz）和DC/DC级的谐振频率（50kHz～350kHz）

• 被动组件的值

• 电感、变压器和电容器设计

基于这些变量通过研究所有可能的设计变体，可以计算出各种方案的总体性能。进一步通过仿真可以得到每种设计的效率、体积大小和成本，然后可以将其与特定的财务假设结合起来以计算总体拥有成本。

为了提供可靠的结果，仿真需要考虑许多不同的因素，这些包括从考虑电气模型，分析不同电感器的损耗、体积和成本如何变化，到各种组件的热性能和磁性能等。

通过分析可产生一个“ Pareto曲面”，也称为“ Pareto边界”，它以图形化绘制的方式显示了最佳设计选择。对于这些最佳方案中的每一个，如果要更改任何设计因素以改善性能的某一个方面，则性能的另一方面会肯定变差。就像在现实生活中一样，设计工程师在选择最佳解决方案时需要在各个方面进行权衡。

分析结果：GaN的优势

在230Vin和50％负载下评估54Vout的设计，其效率和功率密度关系如图2所示。针对基于氮化镓和硅器件设计的每个仿真，都在图上放置一个红色（氮化镓）或蓝色（硅）点，以表示其达到的效率和功率密度。

图2：一系列基于氮化镓和硅器件的54Vout设计效率与功率密度。

由此可以确定硅和氮化镓设计在效率和功率密度方面的“Pareto最优”解决方案（见图3）。这意味着对于任何给定的功率密度值，都会在图中绘制出具有最高效率的设计。

图3： Pareto最优的最高效率氮化镓和硅设计比较。

显然，氮化镓解决方案在所有功率密度下都具有更高效率。在高效率区域，优势约为0.4％，而在高密度区域（效率较低）中，与硅相比，氮化镓的改进约为0.8％。除此之外，就基于氮化镓的设计而言，其可实现的最大功率密度比硅器件方案高出近10W/英寸3。

由此可以考虑对财务方面的影响。为了使图形仅包含两个变量，我们仅考虑具备特定功率密度80W/英寸3的设计。应当注意，对于其他功率密度也可以得到类似的结果。通过保持功率密度恒定，可以依据总体拥有成本绘制一个图表（见图4）。

在这里，总体拥有成本是通过考虑具有最低初始成本（但不一定是最低总体拥有成本）的硅设计来归一化，因而形成基准于100％的曲线。结果表明，随着效率的提高，氮化镓和硅的总体拥有成本都在下降。可以看出，效率为97.35％的氮化镓解决方案比最佳的硅解决方案总体拥有成本改善了13％。

图4：与最高效的硅解决方案相比，最高效的80W/英寸3功率密度氮化镓设计可使总体拥有成本改善13％。

除了能够显著提高效率外，转化为热量的功率消耗也更小，从而减少了电费，并降低了对于冷却组件的要求。与基于硅的设计相比，氮化镓器件的上述优势胜过了其较高的初始成本。

结论

在我们考虑电源的拓扑架构、组件、相关成本和能耗时，英飞凌进行的Pareto分析表明，至少在高功率密度应用中，基于氮化镓的开关器件比基于硅的设计能够实现更低的总体拥有成本。随着市场不断转向更高功率密度设计，这意味着氮化镓器件的优势将进一步提高。

虽然基于氮化镓的电源初始成本比使用硅器件的解决方案要高，但氮化镓解决方案将在更高效率、更紧凑的体积大小、以及更低的控制复杂性等方面带来优势。在讨论电源投资时，通过考虑总体拥有成本，而不是简单的初始投入，可以看出，基于氮化镓的解决方案将在未来几年成为电源采购工程师的重点选择。

当然，确切的财务收益将取决于具体应用和特定的电力成本，但是在当今的大功率电信和服务器应用中，氮化镓开关器件可以节省大量资金。几乎同样重要的是，通过使用Pareto优化，可以事先证明这些节省确实可行，从而可以为基于氮化镓的解决方案组合一个可靠的业务案例，也能够证明其稍高的初始成本如何得到有效分担。