データセンターの電力問題を解決する適切な技術を見つける

データセンターの電源に関する世界標準も、より高い効率性に向けて進化し続けています。Open Compute Project (OCP) 3.0では、エネルギー消費を抑えるハードウェアのさらなる最適化が提供されており、80 Plus PlatinumおよびTitanium認証要件、およびEUのEcodesign in Europe (ErP) Lot 9規制も進化し続けています (表1)。ロット9の次回のアップデートは2026年1月に予定されています。

表1: ロット9と80plusには同様の要件があり、80plusチタン アプリケーションでは98.5% を超えるpfcピーク効率が要求されます。

電力アーキテクチャの進化

プロセッサとサーバーの電力が増加するにつれて、データセンターはラックあたりの電力消費量が増加します。業界ではさらに高い電力密度を求める傾向にあるため、現在では2 ～ 4 kWの個別ブロックが必要になっています。ⁱ この電力を第1世代の12 Vレベルで分配するには、はるかに高い電流を処理する必要があります。サーバー ラックに1 kWを供給するには、従来の12 Vアーキテクチャで83 Aの電流を供給する必要があります。I2R損失を制御し、安全上の懸念に対処するには、このようなシステムの配線ハーネスにさらに多くの銅が必要になります。

効率が1パーセント向上すると、データセンター レベルでキロワットを節約できます。また、48 Vを使用する第2世代の電源アーキテクチャ (図1) では、I2R損失が16倍低減されます。その一方で、UL-60950-1規格の60 V DC安全超低電圧 (SELV) 制限を下回っており、この制限を超えると追加の絶縁、間隔、テストが必要になります。新しいエネルギー効率要件を満たすために、エンタープライズ データセンターの電力部門では48 Vアーキテクチャを採用しています。

第2世代ラック システムは、個別の2 ～ 4 kW電源ブロックとして構築され、第1世代の大規模な高電圧無停電電源装置 (UPS) と配電ユニット (PDU) を、ラックごとに48 V DC電源を使用して充電される小型のUPSに置き換えます。AC-DCおよびDC-DC電源は、各サーバー ボードを動作させるだけでなく、UPSバッテリーを充電します。第1世代から負荷分散と冗長性が削除されたため、各電源装置をほぼ全負荷 (100%) で動作させる必要が生じます。

図1: 第2世代電力アーキテクチャによる世界のエネルギー節約は、1 GWの原子力発電所27基に相当します。出典: Fred Lee、「次世代データセンター向け電力アーキテクチャ」

サーバー電源ユニットの課題

上で説明した変更による課題とは別に、OCP 3.0、Open Rack V.2 (ORV)、およびビットコイン/マイニング電源ユニット (PSU) では、2 kWを超えて3～4 kWの範囲への移行が必要であることにも注目すべきです。ラックメーカーは、小型フォームファクタと高さ40 mmの薄型、高電力密度、効果的で低コストの熱管理、および磁気部品のサイズを縮小する高速スイッチングを管理するEMI設計を求め続けています。さらに、ドーター カードに搭載されたパワーMOSFETを使用することで、完全なデジタル制御と設計の柔軟性が求められます。

これらの課題を解決するための半導体デバイス技術を検討する際には、バンドギャップ、臨界電気破壊、電子移動度、熱伝導率の点での違いに注意する必要があります。これらはすべて、システムのピーク動作温度、電圧、効率、熱管理要件に影響します。

半導体ソリューション

シリコン (Si) は最もよく知られている技術ですが、バンドギャップが小さいため動作温度が制限され、破壊電界が低いため低電圧での使用に制限され、熱伝導率が低いため窒化ガリウム (GaN) やシリコンカーバイド (SiC) などのバンドギャップの広い材料と比較して電力密度が制限されます。

データセンターの電源に必要な効率を得るには、スイッチング損失と伝導損失を比較することが重要です。伝導損失はデバイスのI ² R損失は、オンドレイン-ソース抵抗（R _DS(オン) 低く、温度による変化も少ない。

図2 多くの設計者が第2世代データセンターPSU要件を満たすために使用を検討しているテクノロジ (SiC、GaN、およびSiスーパー ジャンクション (SJ)) について、温度に対してプロットされた正規化されたRDS(ON) を示します。GaNデバイスとSJデバイスはどちらもRが低いことが興味深い。 _DS(オン) 25歳未満°摂氏20度ですが、これはデータセンターの電源にとってはあまり実用的ではない温度です。GaNおよびSJデバイスのデータシートではR _DS(オン) 25歳°Cの場合、エンジニアが、システムが通常設計されるはるかに高い動作温度での仕様であると想定してしまう可能性があります。

図2: 一般的なMOSFET Rを示す一般的なチャート_DS(オン) （正規化された）温度による変化。

注目すべきもう一つの興味深い特徴は 図2 温度によるRDS(ON)の変化です。SiCの曲線はほぼ平坦のままであり、他のテクノロジーは両方ともRDS(ON) の大幅な増加を示していますが、この変化はGaNの場合に特に劇的です。設計者は実際の接合部温度120℃でRDS(ON)を使用する必要があるため、° C～140° Cでは、60 mΩ のSiCデバイスは80 mΩ の「ホット」になりますが、40 mΩ のSi SJまたはGaNデバイスは実際には80 mΩ を大幅に超えるホットになります。

GaNの低スイッチング損失 ≠ 総損失が低い

GaNの高い電子移動度は、非常に高いスイッチング周波数でよく知られた比類のない効率を実現する特性です。ここで議論されている技術の中で、GaNはスイッチング損失が最も低い（図3）。

図3: トーテムポールPFCシミュレーションでWolfspeed 60 mΩ シリコンカーバイドと50 mΩ GaNデバイスを比較する研究。左に電力損失と出力電力、右に回路。

Wolfspeedは、トーテムポールPFCシミュレーションで60 mΩ のSiCデバイスと50 mΩ のGaNデバイスを比較し、GaNは全電力範囲にわたってスイッチング損失がわずかに低いものの、電力による伝導損失の増加とそれに伴う接合部温度の上昇によってゲインが相殺されることを発見しました。This requires GaN devices to be made oversized to compensate for higher conduction losses regardless of switching frequency.

The GaN testing had to be stopped at 3 kW due to power limitations of the device.The study clearly demonstrated that SiC results in significantly lower total losses, especially at the high power levels at which wide bandgap semiconductor use is most compelling, such in as datacenters.The various device-level performance specs of the three semiconductor technologies are compared in the radar chart in Figure 4.

Figure 4: Silicon Carbide excels in high-voltage, high-power and high-temperature applications, such as datacenter power supplies.

At first glance, we notice GaN’s benefits are the lowest reverse recovery charge Q_rr for the lowest switching loss in continuous conduction mode (CCM) synchronized rectifier, the lowest time-related output capacitance C_oss(tr) for low dead time, and high frequency and efficiency, and the lowest energy-related output capacitance C_oss(er) for minimum switching loss in hard-switched topologies.Notice that SiC trails close behind GaN in these attributes, while Si lags significantly.

Silicon wins include the lowest junction-to-case thermal resistance R_thjc, which confers better thermal performance, and the highest threshold voltage V_th, which offers better immunity to noise and makes Si devices easier to drive.Note that GaN has an extremely low V_th.

The maximum junction T_{j_max} and the avalanche energy, single pulse E_as indicate device robustness.SiC is the most robust as shown, while GaN has no E_as capability.SiC also has the lowest R_DS(ON) change over temperature, which results in low conduction loss at high temperature.This is where GaN lags considerably to undo all gains from low switching loss.

Put together, SiC’s strengths help deliver the highest efficiency at higher power levels, as well as high power densities required for enterprise datacenters and similarly demanding applications.

The package point of view

Since Wolfspeed developed the SiC technology for a successful transition from Si, many of the common surface-mount and through-hole packages are available for SiC products.GaN, on the other hand, faces unique challenges toward package standardization.

For instance, GaN through-hole packaging is uncommon because products need to have lower parasitics and allow very-high-frequency switching to best utilize the material’s strengths.GaN is often either offered in large QFN or custom packages.Large QFN suffers from board-level reliability concerns and custom packages lack multisource availability as well as tooling capability at subcontractors.

GaN’s power device package challenges do not end here.Other common concerns include:

• •  Kelvin source pins, widely adopted in SiC for better switching control, are not feasible in cascode GaN since other internal parameters like the cascode FET and capacitances go unaccounted.The common source cannot be eliminated and the cascode GaN is limited to TO-247-3 (three-lead) package in which the vulnerability to gate oscillation limits switching speeds.


• •  Some custom packages on the market are so thin, they constrain the space available for a heatsink.


• •  Another custom package on the market has a top-side cooled drain, which requires thermal interface materials (TIMs) with high thermal conductivity to extract heat away from the device.


• •  Yet another TO-Leadless (TOLL) package for GaN places the gate and the Kelvin source in a direction different from standard Si, which makes transition from the latter technology cumbersome.

Figure 5: Wolfspeed’s TOLL package is significantly smaller than the standard TO-263 and enables low-cost surface-mount assembly.

As the market moves towards high-power density design and tighter space constraints, the TO-Leadless (TOLL) package offers advantages of low height and smaller footprint, and its leadless form results in low lead inductances that would otherwise become a concern in high frequency operation.The package’s larger drain tab area addresses thermal performance concerns from small packages.

TOLL is a relatively new package for the datacenter and server power supply market.Wolfspeed is, however, supporting that market with product development in this direction, such as with new TOLL package variants for datacenter and server power.

A system-level comparison

Compared with Si-based H-bridge, SiC-based CCM totem pole PFC can have not only higher efficiency but higher power density at similar or lower cost.ⁱⁱ A comparison of efficiency between technologies clearly shows that while both SiC- and GaN-based CCM totem pole PFCs can achieve >99% efficiency, GaN has the efficiency advantage only at very light loads.As discussed earlier, GaN’s much higher R_DS(ON) change over temperature (Figure 2) results in its dramatically drooping efficiency curve at higher power/loads.In applications, like datacenters, that operate at or near full load 24/7, GaN therefore fails to meet efficiency requirements.

SiC, on the other hand, provides an efficiency similar to that of GaN at half load and better efficiency at full load (Figure 6).

Figure 6: Silicon Carbide is the best choice in a totem pole PFC, especially for high reliability applications.

Taking a broader look to include power density, the number of components, and relative cost of SiC- and GaN-based CCM totem pole PFC (Table 2), it is noted that SiC is better than GaN not only in terms of efficiency in high-power density applications, but also in terms of gate drive complexity, control, and cost.

Table 2: Topology and component analysis of Silicon Carbide- and GaN-based bridgeless PFCs.

In yet another comparison of real-word wide-bandgap demonstrator designs from various companies, Wolfspeed SiC shows clear advantages (Table 3).Some key points to note are:

• •  Many of the existing reference designs require impractical thermal management and restrict design flexibility.


• •  GaN FET-based totem-pole designs have lower efficiency at full load due to the high temperature coefficient of R_DS(ON).


• •  As expected, SiC’s low temperature coefficient of R_DS(ON) results Wolfspeed’s design to exhibit a nearly flat efficiency curve from half load to full load.


• •  While SiC and GaN meet requirements for bridgeless PFCs in the 2-4 kW range, high conduction losses make GaN thermal design challenging beyond 4 kW.


• •  リファレンス デザインのシステム周波数は、CEのEMI要件に合わせて高調波を150 kHz未満に抑えるために、45 ～ 47 kHzおよび60 ～ 67 kHzの範囲に制限されています。これにより、スイッチング損失が低いというGaNの利点が打ち消されます。

表3: 市場におけるワイド バンドギャップ リファレンス デザインの競合分析。

ウルフスピードの3.6kWソリューション

Wolfspeedの新しい3.6 kWトーテムポールPFCリファレンス デザイン (表3、最後の行) は、半負荷で99% 以上の効率、全負荷で98.5% 以上の効率を実現し、80 Plus TitaniumおよびErP Lot 9の要件を満たすことで、データセンターとサーバーの電源供給の課題を解決することを目的としています。

表4: Wolfspeedの3.6 kW設計で利用可能な4 MOSFETオプションと2 MOSFETオプションの効率とコストの比較。

この設計では、上記の効率基準を満たしながら、高効率の一部を低コストとトレードオフする柔軟性も提供されます (表4)。低コストのオプションでは、設計の低周波 (LF) レッグ内のMOSFETのうち2つをダイオードに置き換え、高周波 (HF) レッグ内のMOSFETはそのまま残します。

2つのドーター カードの設計コンセプトにより、お客様はシステム設計の優先順位に応じて適切なオプションを柔軟に選択できます。

このようなソリューションを開発するにあたり、Wolfspeedは、市場で最も現場でテストされたSiCおよびGaN on SiCソリューションの幅広いポートフォリオを構築してきた豊富な経験を活用しています。両方のテクノロジーの長所と将来の可能性を最もよく理解している半導体チームを擁するWolfspeedは、特定のアプリケーションに最も適したテクノロジーをターゲットとする独自の資格を備えています。

ⁱWiWynn Corp. 他著「48V: データセンター向けの改良型電力供給システム」(http://www.wiwynn.com/english/company/newsinfo/1038)
ⁱⁱWolfspeed他著「シリコンカーバイドがPFCの進化を実現」、2020年8月17日 (https://www.wolfspeed.com/knowledge-center/article/silicon-carbide-enables-pfc-evolution)