Muchos diseños de servidores están cambiando de convertidores de CC-CC regulados y aislados de 48 V basados ​​en rack que se convierten a 12 V a convertidores de CC-CC de 48 V no aislados y no regulados montados en las placas del servidor.

gan fig 1.png
Figura 1: La tecnología GaN ha aumentado la densidad de potencia de los convertidores CC-CC de 48 V–12 V en casi un factor de ocho desde 2015 – Efficient Power Conversion

El espacio en una placa de servidor es extremadamente valioso y los servidores, especialmente aquellos diseñados para realizar funciones de computación de alto nivel como la inteligencia artificial (IA), demandan cada vez más potencia. Al mismo tiempo, las GPU se están volviendo bastante comunes en los sistemas de IA. Estas GPU imponen demandas adicionales en los requisitos de conversión de energía, donde se requieren voltajes tan bajos como 0,6 V en ciertas condiciones de funcionamiento. Los requisitos ahora superan habitualmente los 3 kW por placa con varios sistemas que requieren hasta 5 kW.

Estos estrictos requisitos de energía han requerido cambios en la arquitectura básica de conversión de energía. En primer lugar, con un espacio de placa de primera calidad, las arquitecturas de alta densidad de potencia se convierten en el santo grial para los diseñadores de sistemas de potencia. Los FET eGaN han estado en producción durante 12 años, y los dispositivos de quinta generación han superado los límites superiores de densidad de potencia en casi un factor de ocho en los últimos seis años, como se ilustra en la figura 1.

Los avances en la tecnología GaN, junto con las mejoras en la gestión magnética y térmica, permitieron esta aceleración. El diseño y la arquitectura física de la última versión de un convertidor CC-CC no regulado de 48 a 12 V se muestra en la figura 2. El uso de las tres dimensiones para ubicar el transformador encima del circuito activo ahorra espacio y reduce las pérdidas resistivas.

Gan Fig 2.png
Figura 2: Convertidor LLC de 1kW 48V–12V. Mide 22,8 mm x 17,5 mm x 7,5 mm y tiene una densidad de potencia de 5130 W/in3 – Efficient Power Conversion

Una eficiencia máxima del 98 por ciento, junto con una excelente gestión térmica permite que este pequeño convertidor de 22,8 mm x 17,5 mm x 7,5 mm entregue 1 kW.

Integración GaN

El siguiente paso para aumentar la densidad de potencia es incorporar avances recientes que utilizan GaN para integrar funciones de circuito adicionales en un solo chip. En la figura 3 se muestra la etapa de potencia monolítica EPC2152. En este único chip GaN-on-Si están integrados dos transistores de potencia, dos controladores, un circuito de cambio de nivel, un circuito de arranque y lógica de entrada. Este GaN IC reemplaza tres componentes y, en virtud del mayor rendimiento logrado a través de la integración, reduce el espacio de placa necesario para estas funciones en un 35 por ciento.

gan fig 3.png
Un circuito integrado de etapa de potencia 2020 combina dispositivos de potencia en una topología de medio puente con controladores, cambiador de nivel, circuito de arranque, lógica de entrada y protección. – Efficient Power Conversion

Esta tecnología GaN IC se puede utilizar para aumentar aún más la densidad de potencia en otro 50 por ciento. En la figura 4 se muestra una ilustración conceptual de la mejora resultante de los circuitos integrados.

¡No olvides el ventilador!

A pesar de todas las mejoras en densidad de energía y eficiencia, los requisitos de energía para los servidores siguen aumentando. A su vez, estos aumentos en los requisitos de energía aumentan los requisitos para los sistemas de enfriamiento y, por lo tanto, el consumo de energía necesario para los ventiladores y las bombas de enfriamiento.

Los ventiladores pueden operar de manera más eficiente a 48 V que a 12 V y, como resultado, pueden beneficiarse de los controles de motor basados ​​en GaN IC.

gan fig 4.png
Figura. 4: El impacto en la densidad de potencia de una mayor integración de los componentes de GaN-on-Si – Efficient Power Conversion

En la figura 5 se muestra un ventilador de refrigeración del servidor controlado por un motor de CC sin escobillas (BLDC) de 48 VIN accionado por tres circuitos integrados EPC2152 (mostrado anteriormente en la figura 3). Las mismas mejoras de eficiencia, tamaño y costo logradas con GaN en los convertidores CC-CC del servidor se realizan en los controles del motor del ventilador que se utilizan para alimentar los ventiladores de refrigeración integrados.

Hoja de ruta de IC

La tecnología de circuitos integrados GaN-on-Si está en su infancia. Las mejoras en el rendimiento, el costo, así como las características y funciones, se están introduciendo casi mensualmente. La Figura 6 muestra hitos de topología clave en la integración de GaN, comenzando con los primeros dispositivos monolíticos de medio puente presentados en 2014. En 2022, se esperan circuitos integrados de varias etapas, seguidos de sistemas de control y alimentación en un solo chip en 2024.

gan fig 5.png
El diseño de referencia de control de motor EPC9146 alimenta un ventilador de refrigeración de servidor de 400 W – Efficient Power Conversion

Resumen

La conversión a 48 V en la placa del servidor ha llevado a los transistores GaN-on-Si a una producción de alto volumen y bajo costo. Los precios de los transistores de GaN son consistentemente más bajos que los de los MOSFET. Este costo más bajo, junto con el mayor rendimiento y el tamaño más pequeño, hacen de GaN la elección convincente para los convertidores CC-CC de 48 V y los motores BLDC utilizados en servidores.

Estos mismos elementos de valor (mayor rendimiento, menor tamaño y menor costo) están incorporando los IC de GaN a los convertidores de CC-CC de 48 V que se emplean en aplicaciones automotrices. A medida que aumentan los estándares de eficiencia de combustible, se está produciendo un cambio significativo, con vehículos híbridos y eléctricos que agregan baterías de 48 V y requieren convertidores bidireccionales de 48 a 12 V. Los transistores GaN y los circuitos integrados ya están poblando estos nuevos sistemas y sin duda serán el componente elegido con el tiempo.

fig 6.png
Figura 6: Hitos de integración de GaN. Los circuitos integrados multietapa estarán disponibles en 2021, los sistemas de potencia y control en un solo chip en 2024 – Efficient Power Conversion

Por Alex Lidow, director ejecutivo y cofundador de Efficient Power Conversion