【原创】Vicor为什么要对氮化镓泼点冷水?

winniewei 提交于 周四, 10/31/2019
【原创】Vicor为什么要对氮化镓泼点冷水?

作者:张国斌

35年前,硅基功率MOSFET发明,它激发一个全球120亿美元的大市场,而随着快充、无线充电的兴起,开关电源的转换频率提高很多,硅基MOSFET难以适应,于是,新兴的氮化镓(GaN)技术快速走热,硅基GaN晶体管的开关速度比MOSFET快10倍,比IGBT快100倍!而且体积小5到10倍!因此氮化镓功率器件迅速被广泛采用,本土跟氮化镓扯上边的企业也一飞冲天,还有人喊出了要把“硅基MOSFET赶出市场!”的口号,但是,氮化镓功率器件并不是一个万金油器件,它也有自己的不足,Vicor就给它泼了点冷水。

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“由于氮化镓功率器件的工作频率较高因此容易产生电源中最讨厌的EMI问题,氮化镓功率器件驱动设计很复杂,在应用中要谨慎。”近日,在模块电源巨头Vicor(怀格)公司的媒体见面会上,Vicor公司首席工程师、高级经理Chris Swartz就这样指出。

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无独有偶,Vicor公司的创始人兼CEO Vinciarelli博士也有了类似观点,他认为硅的寿命很长。虽然某些功率半导体公司声称硅已接近尾声,并且GaN场效应晶体管是满足先进电力系统需求所必需的,但Vinciarelli持不同观点。“GaN不是一种可以满足所有电力系统挑战的神奇子弹,”他说道,“GaN FET只适用于某些应用,并不适用于需要高效配电、转换拓扑和模块化电源封装的电源系统级解决方案,而这些是电力系统必要的推动因素。”

为什么Vicor敢给氮化镓泼凉水?一个原因是个别氮化镓公司确实吹的太厉害,另一个原因是Vicor是全球模块电源的响当当的领头羊。在发布会上Vicor公司亚太区市场营销副总裁Eric Wong就说:“我们的模块电源技术很领先,大家都熟悉凌力尔特,那是因为他们市场宣传做的好,而我们是技术第一!”

Vicor的历史

实际上,在模块电源领域 ,Vicor一直是神一样存在的公司,自诞生其就不断在挑战模块电源的效率和功率极限密度,下图是Vicor砖式模块电源功率密度提升曲线,现在立方英寸的功率密度可以超过3000W!全球第一!

这样的高密度的好处是服务器机柜可以支持更多算力!以应对数据大爆发和人工智能处理需要,说的明白些,就是大家临睡前刷抖音的时候,数据中心的就是有海量级的响应,就会引发大功率需求,这就需要Vicor这样的大功率模块电源显神威了,不然服务器就挂了。     

Vicor的创始人Patrizio Vinciarelli 博士是个意大利教授,曾经在斯坦福线性加速器中心和欧洲核研究中心工作。 后来,他去了普林斯顿高级研究所担任研究员,也是普林斯顿大学的讲师。

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某一天教授在家里捣鼓他的古典音乐,突然立体声系统崩溃了,当他打开功放检查时,发现是电源系统故障所致,于是教授怒了,这谁设计的破电源啊,于是,教授创业了,致力于打造大功率,高可靠的模块电源!---这个故事说明几个要点:1、爱玩音乐的人很厉害,2、失败是成功之母,因为有了电源故障才有了教授创业。

“意想不到的事件会激励人们走向新方向,这就是发生在我身上的事情。”教授这样总结道。

1981年,Vicor公司成立,但Vicor不仅仅是一家电源制造商,Vinciarelli通过基础创新实现变革,把半导体技术引入到电力能源行业中。传统上,电源是定制组件,具有很小的灵活性或可扩展性,效率低,功率密度低。因此,他决定开发一种模块化电源系统方法,并为电力系统创建高密度的电源模块,这些模块可以通过性能的数量级改进实现轻松的扩展。Vinciarelli解释说Vicor的重点是从墙上插头到负载点的完整模块化解决方案:“它与当时电源公司的电源模块完全不同。”

教授研发了很多专利技术,这些技术现在还在应用。

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在20世纪80年代早期,电源的开关频率低于100 kHz。Vicor决定采用教授的专利零电流零电压开关技术将频率提升至1 MHz---就是上图第一个专利。最终的设计成果是一个75 W DC-DC砖式电源,工作频率为1 MHz,效率为80%,功率密度为25 W/立方英寸。

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今天,Vicor已经将功率密度提升到3000W!而且,Vicor还在进行一个新的革新就是推进48V供电系统在数据中心的使用!为什么要推48V供电?

数据中心供电挑战

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随着社交媒体兴起和万物互联时代开启,全球数据呈现爆炸式增长,但其背后是数据中心惊人的耗电量!从全球来看,到2025年,数据中心将占到全球能耗的最大份额,高达33%,从国内看,全国数据中心的耗电量已连续8年超过12%的速度增长。2017年,国内数据中心总耗电量已经超过三峡大坝和葛洲坝电厂发电量之和。预计到2020年,中国数据中心耗电量为2962亿千瓦时,2025年高达3842.2亿千瓦时!

这样惊人的耗电量给数据中心机柜电源提出很大挑战,在谷歌等大公司带领下,48V(包括 54VDC)配电成为新兴标准,据测算,48V 配电与 12V 系统相比,可将电流降低 4 倍,将配电损耗降低 16 倍(I2R 损耗),从传统的12V服务器机架到48V机架的转变预计会使能量损失减少30%以上。

Vicor就是48V供电的忠实拥趸,一直在大力推广其48V供电方案。

 

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Eric Wong表示48V供电目前在数据中心的渗透比例还不是很高但一定是未来的趋势,另外它也会渗透到汽车、LED照明、无人机等领域。他解释说随着对燃油环保的要求越来越高,48V电源在新问世的燃油汽车中几乎是标配。Vicor的NBM可以实现12V与48之间电源系统的双向转换,帮助实现汽车中的自动启停、行驶中的能源回收、自动驾驶运算等更环保和智能的功能。

在媒体会上,Vicor 给媒体了展示其双向 48V 至 12V 及稳压 48V 至 12V 模块的最新产品,包括新一代普及型 NBM2317 固定比率转换器和 DCM3717 稳压转换器(采用 37x17 毫米封装,支持高达 900W 的功率)等。这些模块有助于电源系统结合 48V 和 12V,为降压或升压转换实现最高密度及效率。

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NBM 采用不足 3.3 立方厘米的封装,提供 48V 至 12V 双向转换,在 750W 稳定功率和 1kW 峰值功率下,支持 98% 的峰值效率。比分立式设计所用空间更少,支持多重负载的快速瞬态响应,并且并行支持更高功率。

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RFM 是一款三相 AC-DC 转换器模块,能够在 9.4 x 5.9 x 0.6 英寸(24 x 15 x 1.5 厘米)的平板电源配置中输出 10kW 的稳压 48Vdc 电压。RFM 针对冗余工作集成滤波及内建故障保护功能,可提供功率因数校正的稳压隔离式 DC 输出。RFM 可通过配置,支持全球范围200 至 480Vac 的三相 AC 电源。

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MCD&MCM

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DCM3717,采用 37x17 毫米封装,支持高达 900W 的功率。

Vicor的24cm×15cm超薄设计的AC-DC 转换器模块(RFM)平板电源,可提供10kW的稳压48VDC。RFM可通过配置,支持全球范围200~480VAC的三相AC电源,其功率密度达到组件层面300W/in3,是传统3相位AC-DC解决方案的4倍。

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RFM平板电源

Chris Swartz  表示电源设计是个系统工程,要提升功率密度、效率除了独特的拓扑架构外,在封装散热上也需要独特的材料,Vicor通过分布式电源架构、ZVS/ZCS(零电压、零电流开关)拓扑和正弦振幅转换器拓扑技术,为业界提供了最高的密度和效率。

他指出在模块电源设计中效率是第一考虑因素,因为高效率意味着可以节省散热材料,也就缩小了尺寸,因而降低了成本,因此,Vicor想方设法提升电源转换效率。”

AI、5G时代电源设计

Eric Wong表示在Vicor看来,电源产业面临很大的发展机遇,数据中心、混动汽车、LED照明对电源都提出了很大需求。

在数据中心领域,由于高性能计算和人工智能的出现,推动许多云数据中心的机架电源从传统10KW 增长至20KW 以上。在高性能计算数据中心,背板上的电源现在是两个48V服务器设计外加380V DC配电。

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在针对AI处理器供电方面,由于AI处理器运算量巨大,因此处理器电流会急剧上升,传统多相降压阵列密度不够,无法尽可能靠近处理器放置,也就是说稳压器和处理器之间会有大约200μΩ--400μΩ的PDN电阻。这意味着,如果在500A、400μΩ的PDN电阻的情况下,电路板上会有100W的功耗。如果处理器功耗为400W,系统效率会因PDN的原因降至75%。由于PDN电阻和电流都很高,因此12V 多相解决方案无法满足性能需求。

Vicor提供了一种方法——这是下一代电源设计,直接把电源模组放在处理器基板的背面,甚至跟处理器用异质封装整合在同一个封装体内,合封电源的垂直供电技术是Vicor公司独有的专利技术,通过在封装产品上提供横向及纵向分比式电源,解决了这一极为艰巨的复杂难题。横向解决方案可将PDN电阻降至50μΩ,而纵向解决方案则可将其降至5μΩ。这样,在纵向供电情况下,一项1000A的GPU或ASIC电源设计在电阻为50μΩ时,会消耗5W的PDN电源。这一方法让Vicor在AI处理器电源市场处于领先地位。

据Chris介绍,Vicor美国的安多弗工厂,在2018年产能增加了6倍,产量实现增长375%。在长期产能增长方面,Vicor计划到2020年现有工厂还要增加85000平方米,可以实现更多的产能,足以满足电源产业的需求!

目前,Vicor一直保持了模块电源功率密度的世界记录,是其最近对手的3倍!让我们拭目以待Vicor在大功率模块电源领域不断挑战自己实现更高目标!(完)

参考资料:

1、Vicro微信公共号内容

2、百度百科

注:本文为原创文章,转载请注明作者及来源

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