GaN för strömförsörjning av datacenter

Författare: Di Chen, Director of Business Development 

and Technical Marketing, Cambridge Gan Devices

Denna energiefterfrågan har lett till en förändring i eldistributionsnätet och de nätdelar som krävs. I stället för att använda växelströmsdistribution i datacentret via en 48 V-strömförsörjningsbuss föreslår Nvidia nu att likström ska distribueras till AI-servrarna i datacentret med en spänning på 800 V. Detta kräver nya strömförsörjningslösningar som är mindre och har högre verkningsgrad för att minska förlusterna.

Dessa trender har en enorm inverkan på elmatningen och elomvandlingen i datacentret. När el på gigawattnivå distribueras är det avgörande att minska förlusterna och öka effektiviteten i matningen. Genom att öka verkningsgraden med ett par procentenheter, från 97 % till 99 %, kan man spara stora mängder energi, vilket leder till lägre driftskostnader och miljöfördelar. Den högre verkningsgraden innebär också ett mindre kylningsbehov, vilket sparar kostnader för vatten eller det dielektriska mediet som används och möjliggör mindre kraftsystem. Ny kapslingsteknik kan också bidra till att förenkla kylsystemets konstruktion, vilket gör att strömförsörjningen blir lägre och att fler GPU får plats i ett rack.

Galliumnitrid (GaN) är en teknik som möjliggör högre verkningsgrad och mindre utrymmesbehov tack vare förmågan att koppla med högre frekvenser än annan halvledarteknik.

Att införa tekniken är emellertid inte så enkelt som att bara byta ut kiselkomponenterna i strömförsörjningen. GaN kräver en mer komplex gatedrivrutin som varierar mellan -10 V och +7 V. Detta innebär att det krävs olika komponentdrivrutiner med mer komplexa krav på tidssynkronisering.

ICeGaN

Genom att lägga till ett gategränssnitt till en 650 V GaN-transistor med lågt on-motstånd (RDS(on)) kan användningen av komponenten i en strömförsörjningskonstruktionen för AI-servrar förenklas avsevärt. Detta gör det möjligt att använda en standard MOSFET-gateddrivkrets upp till 20–22 V, vilket utnyttjar den befintliga komponentförsörjningskedjan och kvalitets- och tillförlitlighetsrapporter, samtidigt som det öppnar möjligheter till högre effektivitet och mindre storlek genom användning av GaN-HEMT:er.

ICeGaN-tekniken som utvecklats av Cambridge GaN Devices (CGD), är en effekt-IC som implementerar ett sådant gränssnitt på samma substrat som HEMT-transistorn i förstärkningsläge, istället för att använda en separat kisel-MOSFET i en kaskodkonfiguration eller kräva direktdrivning. Genom att implementera gränssnittet på samma chip kan man skapa en optimerad kapsel med låg profil och låg induktans, vilket är avgörande för att minska förlusterna och öka effektomvandlarens verkningsgrad.

ICeGaN-komponenter inbegriper en HEMT med hjälpgate som begränsar den externa gateingången och tillhandahåller en stabil intern gateförspänning för huvudsaklig e-mode-HEMT. Detta innebär att ICeGaN-komponenter drivs med gatespänningar på omkring 9 V till 20 V, och att de utan problem tål högre transienta spänningar. Det innebär också att den skenbara tröskelspänningen (VTH) i praktiken fördubblas till cirka 3–4 V, vilket förbättrar brusimmuniteten på gaten.

En Miller-klämma är dessutom inbyggd i ICeGaN-komponenter för att ge en kraftig pulldown när HEMT:en inte är påslagen, vilket innebär att konstruktörerna inte behöver tillföra negativa gatespänningar för att hålla komponenten avstängd när den ska vara avstängd. Miller-klämman ger dessutom ett bredare säkert driftsområde (SOA) och ökar gatens tillförlitlighet genom att absorbera högre dV/dt-stigningar. Detta möjliggör snabb drift utan behov av ytterligare minusspänningsskenor och kan styras genom värdet på aktiveringsmotståndet, vilket innebär att konstruktörerna kan anpassa ICeGaN-aktiveringshastigheten efter de tillämpningsspecifika behoven och hitta en balans mellan EMI och omkopplingsförluster. 

Dessutom har H2-serien ett förbättrat gränssnitt som inkluderar en krets för tomgång och lätt belastning, vilket säkerställer effektiv drift vid tomgång och lätt belastning och förbättrar den totala verkningsgraden ytterligare. Detta är en viktig fördel när det gäller GPU-kapacitet, där arbetsbelastningen stiger kraftigt beroende på kraven från AI-applikationen för att sedan sjunka igen.

Denna dynamiska strömförbrukning i GPU:n vid AI-arbetsbelastningar orsakar stora och snabba belastningssvängningar som inte kan matas tillbaka till växelströmsnätet. För att förhindra detta måste varje steg i AC–DC-omvandlingskedjan klara av tillfälliga belastningsförhållanden och ha tillräcklig lokal energilagring för att utjämna effektfluktuationer.

Detta innebär att komponenterna och den termiska konstruktionen måste dimensioneras för toppbelastning snarare än genomsnittlig belastning, så att 800 V DC/DC-omvandlaren kan hantera kortvariga effektökningar utan överbelastning eller förlust av regleringsförmåga. 

EMI-hantering är särskilt viktig i 800 V DC/DC-omvandlare på grund av den höga busspänningen, de snabba omkopplingsövergångarna och de kompakta konstruktionerna, där effektstegen är placerade nära känsliga GPU-kort och höghastighetssignaler. Eftersom EMI-filter tar upp värdefullt utrymme i tätt packade konstruktioner är det av största vikt att utvärdera EMI-egenskaperna i ett tidigt skede. Detta gör det möjligt att redan från början integrera placering av filter, ledningsdragning och jordning i den övergripande arkitekturen, vilket minimerar risken för omkonstruktioner i ett sent skede och problem med att uppfylla gällande krav.

De senaste ICeGaN-komponenterna har dessutom inbyggda funktioner som mättnadsskydd vid fel och styrning av stigningshastigheten (SRC) för att optimera motorstyrningen och tillförlitligheten. SRC-stödet gör det möjligt att reglera stigningshastigheten (dV/dt) vid högfrekvent omkoppling, vilket minskar eventuella spänningsspikar och därtill kopplade elektromagnetiska störningar.

Nyckeln till den förbättrade överföringskaraktäristiken är hjälp-HEMT:en. Detta gör det möjligt för den externa gaten att överskrida de 6 V som vanligtvis anges för diskreta GaN-komponenter i e-läge. Strömkällan tillför en konstant ström till spänningsbegränsaren, som håller gatespänningen hos denna hjälp-HEMT ungefär ett tröskelvärde över önskad gatespänning hos effekt-HEMT:en. 

Den interna gate-spänningen hos effekt-HEMT:en börjar stiga först när den externa gatespänningen har överskridit cirka 1,5 V. Det är denna ytterligare tröskel som gör att ICeGaN har en högre tröskelspänning än konventionell diskret e-mode GaN, nämligen 2,9 V. När den interna gatespänningen i effekt-HEMT når 4,7 V börjar den klämmas fast. Klämningen åstadkoms genom en kombination av en strömkälla och en spänningsbegränsare som styr gatespänningen hos hjälp-HEMT:en. Detta begränsar strömförbrukningen i detta spänntillstånd och håller förlusterna vid styrning av gateelektroden på en acceptabel nivå.

En av de främsta fördelarna med GaN-HEMT-komponenter är deras kopplingsprestanda, som kännetecknas av en mycket låg gateladdning och avsaknaden av en kroppsdiod, vilket innebär att det praktiskt taget inte förekommer några avstängningsförluster. Eftersom Miller-klämman stänger av komponenten vid 0 V är ICeGaN-komponenterna inte lika känsliga för förluster som andra GaN-komponenter kan vara.

Det smarta gränssnittet erbjuder dessutom ytterligare inbyggda funktioner, såsom strömmätning, som konstruktörer kan använda för att spara in på externa komponenter som mätmotstånd. 

Denna övervakning är en viktig fördel för datacentertillämpningar. Att noggrant övervaka strömförsörjningens prestanda kan ge en indikation på eventuella problem med ett rack. Detta kan varna en datacenteroperatör om ett potentiellt problem, så att denne kan stänga ner systemet innan problemet orsakar ett haveri i ett helt GPU-kluster.

Framför allt kan enhetens kylning förbättras avsevärt genom att ansluta enheten till jord, vilket gör det möjligt att använda mindre komponenter och driva systemet i lägre temperaturer. 

Kapsling 

Att minska kapslingens värmemotstånd medför flera fördelar. Man får högre uteffekt vid samma RDS(on), samtidigt som enheterna håller lägre temperaturer vid samma effekt, vilket gör att man kan använda mindre och lättare kylflänsar, vilket i sin tur leder till lägre systemkostnader. Lägre driftstemperaturer leder också till högre tillförlitlighet, längre livslängd och mindre strömförsörjningsenheter i AI-racket. 

BHDFN-9-1-kapseln (Bottom Heat-spreader DFN), som utvecklats av CGD, är en kapsel med kylning på undersidan och vätbara sidor för enkel inspektion. Den använder en tjockare ledningsram för att leda bort värme, vilket ger ett värmemotstånd på 0,28 K/W – ett värde som motsvarar eller överstiger andra enheter. Med måtten 10 × 10 mm är BHDFN mindre än den vanligt förekommande TOLL-kapseln, men har ett liknande fotavtryck, vilket gör den enkel att använda.

Till skillnad från diskreta GaN-komponenter har ICeGaN en extra anslutning för strömförsörjning av den interna kretsen (anslutning 1), med gateanslutningen som anslutning 2 och Kelvin Source (KS)-anslutningen som anslutning 3. I TOLL-kapseln är gateanslutningen på stift 1, medan KS-anslutningen är på stift 2. Detta innebär att man enkelt kan ta fram en gemensam kretskonstruktion för att säkerställa kompatibilitet, där en TOLL-enhet placeras åt sidan för att undvika anslutning till strömanslutningen på ICeGaN-kretskonstruktionen. Detta gör det möjligt att använda en lösning som i stort sett direkt kan ersätta ICeGaN i stället för en TOLL-enhet.

En vanlig topologi för strömförsörjning i datacenter är en staplad halvbryggresonansomvandlare i en ISOP-konfiguration (ingång i serie, utgång parallell) med 650 V GaN-komponenter. Planära transformatorer och avancerad magnetisk integration är avgörande för att kunna tillhandahålla de slimmade, kompakta effektstegen som krävs när strömomvandlingsmodulerna måste placeras nära GPU- och CPU-kort.

I 800 V-kraftdistributionsnät används redan omkopplingsfrekvenser i intervallet 500–800 kHz i referenskonstruktioner för AI-serverapplikationer. I takt med att GaN-tekniken får allt bredare tillämpning finns en stark strävan att nå 1 MHz och högre frekvenser för att ytterligare öka effekttätheten och minska storleken på magnetkomponenterna, förutsatt att verkningsgraden och elektromagnetiska störningar kan hållas på en acceptabel nivå vid dessa högre frekvenser.

Säkerhet

Säkerheten är en central fråga när det gäller 800 VDC DC/DC-arkitekturer, vilket medför ytterligare överväganden vid konstruktionen.

Vid 800 VDC krävs förstärkt isolering med större luft- och krypavstånd än för bussarkitekturer med lägre spänning. System med ±400 VDC använder högresistiv eller solid mittpunktsjordning till skyddsjord och kräver mindre krypavstånd än enkelpoliga 800 V-system.

Hot-swap- och eFuse-funktioner integreras vanligtvis i 800 VDC-steget på en strömfördelningspanel, så att startström, överbelastning och felisolering styrs så nära racknivåns matning som möjligt.

800 V DC/DC-omvandlarna implementeras ofta också som LLC-steg med öppen reglerkrets, där styrenheten är placerad på sekundärsidan och avkänningen på primärsidan är begränsad. Detta innebär att ytterligare skydd på primärsidan, som till exempel överspänningsskydd och detektering av onormala tillstånd, krävs för att hantera ingångsfel på ett säkert sätt. Detta kan åstadkommas genom avkänning i ICeGaN-gränssnittet.

Användningen av GaN i 800 V-nätverk förbättrar också tillförlitligheten, eftersom DC/DC-steget ligger närmare GPU-kortet, med lågspänningsutgångar på 12 V eller till och med 6 V. Vid ett fel måste 800 VDC DC/DC-konstruktionen säkerställa en strikt inneslutning av felenergin så att rök, eld eller brännskador inte sprider sig till GPU-kort eller andra komponenter i facket, vilket bevarar både systemets drifttid och hårdvarans integritet.

En prototyp av en halvbromsmodul på 3 kW, 400 V till 50 V, som använder CGD P2-komponenter med ett inre motstånd på 25 mΩ på primärsidan av en plan transformator, för att demonstrera den höga effekttätheten och verkningsgraden som kan uppnås med en ICeGaN-HEMT. Modulen uppnår en toppverkningsgrad på 98,7 % och har en verkningsgrad på 97,5 % vid full belastning.

Den modulära arkitekturen möjliggör enkel parallellskalning till högre effektnivåer, till exempel 6 kW eller 12 kW, för användning i DC/DC-strömförsörjningsapplikationer med hög effekt. Fasavlastning mellan sammanflätade moduler kan sedan användas för att optimera systemets totala verkningsgrad över ett brett belastningsområde.

Slutsats 

Konstruktörer av strömförsörjningsenheter överväger i allt högre grad att använda GaN-teknik i datacentertillämpningar. Vid konstruktion med konventionella GaN-komponenter kan det dock vara svårt att uppnå optimal prestanda. Den negativa gatespänning som krävs medför till exempel svårigheter i att uppnå den högre driftsfrekvens som möjliggör mindre effektomvandlare.

Att integrera ett smart gränssnitt på samma chip som GaN-effektkomponenten ger flera fördelar för dem som utformar strömförsörjningen till AI-datacenter. Detta kan avsevärt minska kostnaden, storleken och vikten hos strömförsörjningsenheterna i 800 V-nätverk i datacenter.