データセンターパワー問題を解決するための最適な技術を見つける

データセンタの電源供給に関するグローバル基準は、より高い効率性に向けて進化を続けています。Open Compute Project（OCP）3.0は、エネルギー消費を削減するハードウェアのさらなる最適化を提供し、80 Plus PlatinumおよびTitanium認証要件、ならびにヨーロッパのEUエコデザイン（ErP）Lot 9規制も進化し続けています（表1）。Lot 9の次回の更新は、すでに2026年1月に予定されています。

プロセッサーおよびサーバーの性能が向上するにつれ、データセンターではラックあたりの消費電力が増加しています。現在では2～4 kWの離散型ブロックが必要となっており、業界全体ではさらに高い電力密度に向かう傾向があります。ⁱ 初代の12 Vレベルでこの電力を分配するには、はるかに高い電流を扱う必要があります。サーバーラックに1 kWを供給する場合、従来の12 Vアーキテクチャでは83 Aの電流を提供する必要があります。I²R損失を制御し、安全性の懸念に対処するためには、そのようなシステムの配線ハーネスにもっと多くの銅が必要になるでしょう。

1%の効率改善により、データセンターレベルでキロワットの節約が可能になり、48 Vを使用した第二世代の電力アーキテクチャ (図1) により、I2R損失が16倍低下しながら、UL-60950-1規格の60 V DC 安全低電圧 (SELV) 制限を下回る値を維持するため、追加の絶縁、間隔、およびテストが必要となりません。新しいエネルギー効率要件を満たすために、企業のデータセンター電力部門は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、2～4 kWの独立した電力ブロックとして構築されており、第1世代の大型高電圧無停電電源装置 (UPS) と電力分配ユニット (PDU) を置き換え、各ラックごとに小型UPSを設置し、48 Vの直流電源によって充電されます。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世代の負荷分散と冗長性の削除により、各電源がほぼ完全（100％）の負荷で動作する必要性が生じています。

サーバーPSUへの課題

上記で議論された変更に伴う課題とは別に、OCP 3.0、Open Rack V.2 (ORV)、および Bitcoin/マイニング向け電源ユニット (PSU) が2kWを超え、3～4kW範囲への移行が必要であることも注目に値します。ラック製造業者は引き続き、高さ40mmの小型フォームファクターと低プロファイル、高い電力密度、効果的で低コストの熱管理、および磁気部品の縮小を可能にする高速スイッチングを管理するためのEMI設計を求めています。さらに、電力MOSFETをドータカード上に搭載した設計により、完全なデジタル制御と設計の柔軟性が求められています。

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、臨界電気絶縁破壊、電子移動度、熱伝導率の違いに注意を払う必要があります。これらはすべて、システムの最大動作温度、電圧、効率、熱管理要件に影響を与えます。

半導体ソリューション

シリコン (Si) は最もよく知られた技術ですが、その小さいバンドギャップが動作温度を制限し、低い耐圧電界が低電圧での使用に限定され、低い熱伝導率がガリウムナイトライド (GaN) やシリコンカーバイド (SiC) のような広バンドギャップ材料と比較してパワー密度を制限します。

データセンタ用電源装置に求められる効率を達成するためには、スイッチング損失と導通損失を比較することが重要です。導通損失はデバイスの I²R 損失であり、ドレイン-ソース間のON抵抗 (R_DS(ON)) が低く、温度による変化が少ない場合に低減されます。

図2は、Gen 2データセンターPSUの要件を満たすために多くの設計者が検討する技術であるSiC、GaN、Siスーパージャンクション（SJ）の温度に対して正規化されたRDS(ON)のプロットを示しています。興味深いことに、GaNおよびSJデバイスの両方は25°C以下でR_DS(ON)が低いことが特徴であり、これはデータセンターの電源供給システムには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、しばしばR_DS(ON)が25°Cで仕様されるため、通常設計されるシステムのかなり高い動作温度での仕様だとエンジニアが誤解する可能性があります。

図2で注目すべきもう一つの興味深い特性は、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るのに対し、他の技術はどちらもRDS(ON)が大幅に増加し、その変化は特にGaNで劇的です。設計者は実際の接合温度である120°Cから140°CでのRDS(ON)を使用する必要があるため、60mΩのSiCデバイスは「高温時」で80mΩとなり、40mΩのSi SJやGaNデバイスは実際には80mΩを大きく超える「高温時」となります。

GaNの低スイッチング損失 ≠ 低総損失

GaNの高電子移動度は、非常に高いスイッチング周波数でその有名で比類のない効率を可能にする特性です。この中で議論されている技術の中で、GaNは最も低いスイッチング損失を提供します（図3）。

Wolfspeedは、トーテムポール方式のPFCシミュレーションにおいて、60mΩのSiCデバイスと50mΩのGaNデバイスを比較しました。その結果、GaNデバイスは全体的な電力範囲でのスイッチング損失がわずかに低いものの、その利点は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相殺されることが分かりました。このため、スイッチング周波数に関係なく、伝導損失が高いことを補うためにGaNデバイスを過大に設計する必要があります。

GaNのテストは、デバイスの電力制限のために3kWで停止せざるを得ませんでした。この研究では、特に広帯域ギャップ半導体の使用が最も有効な高電力レベル、例えばデータセンターにおいて、SiCが全体損失を大幅に低減することが明確に示されました。3つの半導体技術のさまざまなデバイスレベルの性能仕様は、図4のレーダーチャートで比較されています。

一見したところ、GaNの利点として、連続導通モード（CCM）の同期整流器において最低のスイッチング損失を実現する最低の逆回復電荷Q_rr、低デッドタイムを可能にする時間関連出力容量C_oss(tr)の最低値、高周波＆高効率、そしてハードスイッチングのトポロジーにおける最小スイッチング損失を実現するエネルギー関連出力容量C_oss(er)の最低値が挙げられます。これらの属性について、SiCはGaNに非常に近い性能を示しますが、Siは大きく遅れを取っています。

シリコンの利点には、接合部からケースまでの熱抵抗 R_thjc が最小であることが含まれます。これにより、優れた熱性能が得られます。また、しきい値電圧 V_th が最大であり、ノイズ耐性が向上し、Siデバイスの駆動が容易になります。なお、GaNのV_thは非常に低いことに注意してください。

最大接合温度 T_{j_max} と単一パルスのアバランシエネルギー E_as は、デバイスの堅牢性を示しています。示されている通り、SiCは最も堅牢であり、一方でGaNはE_as能力を持ちません。さらに、SiCは温度による R_DS(ON) の変化が最も少なく、高温時にも低い導通損失を実現します。この点では、GaNは低いスイッチング損失による利点を打ち消すほどの遅れがあります。

まとめると、SiCの強みは、高効率を高出力レベルで提供し、さらに企業のデータセンターや同様に要求の厳しいアプリケーションで必要とされる高い電力密度を実現することを可能にします。

パッケージの観点

ウルフスピードがSiC技術を開発し、Siからの成功した移行を実現して以来、一般的な表面実装およびスルーホールパッケージの多くがSiC製品向けに利用可能です。一方で、GaNはパッケージの標準化に向けて独自の課題に直面しています。

例えば、GaNスルーホールパッケージングは珍しいものです。これは、製品がより低い寄生素子を持ち、非常に高周波スイッチングを可能にする必要があり、材料の強みを最大限に活用するためです。GaNは通常、大型QFNまたはカスタムパッケージで提供されます。大型QFNは基板レベルでの信頼性の問題を抱えており、カスタムパッケージは複数の供給元の可用性や下請け業者でのツーリング能力が欠如しています。

GaNの電力デバイスパッケージの課題はこれだけではありません。他の一般的な懸念事項には以下が含まれます：

市場が高電力密度設計や厳しいスペース制約へと進む中で、TO-Leadless (TOLL) パッケージは低い高さと小型のフットプリントという利点を提供します。また、リードレス形状により高周波動作時に懸念となるリードインダクタンスを低減します。このパッケージのより大きなドレインタブ面積は、小型パッケージでの熱性能に関する懸念に対応します。

TOLLは、データセンターおよびサーバー向け電源供給市場では比較的新しいパッケージです。しかし、ウルフスピードは、この分野での製品開発、例えばデータセンターやサーバー電源向けの新しいTOLLパッケージのバリエーションを通じて、その市場をサポートしています。

システムレベルの比較

SiベースのHブリッジと比較して、SiCベースのCCMトーテムポールPFCは、同等または低コストでより高い効率だけでなく、より高い電力密度を実現することができます。ⁱⁱ 技術間の効率比較を行うと、SiCおよびGaNベースのCCMトーテムポールPFCの両方が99％以上の効率を達成できる一方で、GaNは非常に軽負荷の際にのみ効率の優位性を持つことが明白です。前述したように、GaNは温度によるR_DS(ON)の変化が非常に大きいため（図2）、高い電力/負荷条件では効率曲線が著しく下降する結果となります。データセンターのように、24時間365日でほぼフル負荷で動作するアプリケーションの場合、GaNは効率の要件を満たすことができません。

一方、SiCは半負荷時にはGaNと同等の効率を提供し、全負荷時にはより高い効率を発揮します (図6)。

電力密度、コンポーネント数、SiCおよびGaNベースのCCMトーテムポールPFCの相対コストを含めた広範な視点で検討すると（表2）、SiCは高電力密度アプリケーションにおける効率の面だけでなく、ゲートドライブの複雑さ、制御、およびコストの面でもGaNより優れていることが確認されます。

表2: シリコンカーバイドおよびGaNベースのブリッジレスPFCのトポロジーおよびコンポーネント分析。

様々な企業による実際の広帯域ギャップ実証デザインのさらなる比較において、Wolfspeed SiCは明確な利点を示しています (表3)。注目すべき主要なポイントは以下の通りです:

Wolfspeedの3.6 kW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、最下段）は、データセンターおよびサーバーの電源供給の課題を解決することを目指しており、半負荷で99%以上、全負荷で98.5%以上の効率を実現し、80 Plus TitaniumおよびErP Lot 9の要件を満たしています。

この設計は、依然として上記の効率基準を満たしながら、高効率を多少犠牲にしても低コストを選択できる柔軟性を提供します (表4)。低コストオプションでは、設計の低周波 (LF) 側にある2つのMOSFETをダイオードに置き換え、高周波 (HF) 側にはそのままMOSFETを残します。

2枚のドーターカード設計コンセプトにより、顧客はシステム設計の優先事項に応じて適切なオプションを選択する柔軟性を得ることができます。

そのようなソリューションを開発するにあたり、Wolfspeedは市場で最も実績のあるSiCおよびSiC上のGaNソリューションの幅広いポートフォリオを構築するための豊富な経験を活用しています。両方の技術の強み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持つWolfspeedは、特定の用途に最適な技術を選定するための独自の資格を有しています。

ⁱWiWynn Corp., 他, データセンター向けの改善された電力供給システム：48V (http://www.wiwynn.com/english/company/newsinfo/1038)

ⁱⁱWolfspeed, 他, シリコンカーバイドがPFCの進化を可能にする, 2020年8月17日 (https://www.wolfspeed.com/knowledge-center/article/silicon-carbide-enables-pfc-evolution)