引言
近年来，电信市场正朝着云计算的方向发展，导致超大型数据中心前所未有的快速增长，每个机架都需要处理越来越多的功能。
另一方面，这一趋势也意味着对功率的需求迅速增加，重点是使用更高效、更紧凑的电源，消耗更少的电力。散热也是这里需要考虑的另一个基本要素，目的是尽量减少对冷却元件的需求。每个机架的功率需求飙升至20kW即使更高，行业也呈现出传统12的趋势V电源转移到48V，从而减少损失。但是，这些还远远不够，需要更多的改进。
同时，电信应用还需要更大的功率和更高的效率，特别是最近推出的5G。电信设备主要为-48V行业标准供电，电源输出范围一般为40V～60V。
尽管现有的基于硅(Si)解决方案的效率和密度都在稳步提高，但该技术的目标非常有限，而氮化镓(GaN)该设备越来越多地用于满足服务器和电信市场的密度和效率要求。
氮化镓器件具有许多比硅器件更有优势的电气特性。首先，氮化镓高电子迁移率晶体管(HEMT)具有较低数量级的栅极电荷和输出电荷，以及几乎为零的反向恢复电荷。所有这些都使反向导通器的硬转向(hard commutation)因此，可以采用更简单的拓扑结构，如具有梯形波电流调制的图腾柱PFC级。
在许多应用中，氮化镓设备可以提供比硅设备更高的效率和更高的功率密度，以减少开关损耗，并允许更高的开关频率。缺点是氮化镓开关设备比硅设备更昂贵，因此可能会增加整体电源成本。
成本与效率分析
业界自然关注的一个问题是，基于氮化镓的电源解决方案所需的高初始资本支出(CapEx)是否值得。为了分析这个问题，有必要检查和比较基于氮化镓和硅设备的类似设计解决方案的整体成本(TCO)。
考虑到可能影响电源性能的各种参数的数量，这显然是非常具有挑战性的。本分析的一种方法是使用它Pareto优化(Pareto optimization)，这是一种系统地考虑工程设计中多个目标的方法。在这种情况下，重点关注的主要结果将是效率、功率密度和总体拥有成本。
该方法可以系统地评估多个参数，如不同拓扑或配置中部件的组合，并选择最佳解决方案，以避免依赖直觉(gut feel)或粗略计算，使我们能够更准确地分析不同因素之间的平衡选择。
例如，基于氮化镓的解决方案可以实现98.1%的效率，硅设备效率为97.6%，效率的提高似乎微不足道，但这意味着损失减少了五分之一(从2.4％减少到1.9％，减少了0.5%)。尽管如此，如果不使用，Pareto也很难评估这种改进是否值得。
如图1所示，这是一个典型的电信电源，输入电压为230VRMS，并提供43V～58V(标称值为54V)输出电压。该示例还定义了3kW最大输出功率，并在此功率下保持时间(hold-up time)为10ms。应该注意的是，即使我们在这个例子中选择了电信电源，其结果也可以应用于提供48V数据通信电源输出电压。因为服务器电源通常包括附加功率ORing因此，需要考虑少量的附加损失。
图1：电源设计示例。
本分析采用了图腾柱功率因数校正(PFC)和一个LLC拓扑电源设计。根据氮化镓的设计，选择具有固定开关频率的连续导通模式(CCM)用于PFC对于基于硅的系统，采用三角波电流模式，可以实现软开关(TCM)。为了模拟典型的使用条件，考虑50%负载和230Vin和54Vout当时的电路特性。
假设使用寿命为7年，电费为0.10US$/kWh，数据中心的用电效率(PUE)为1.5.成本从数据中心运营商的角度计算，电源供应商毛利率为25%。这些计算还考虑了损耗控制、冷却系统、大约20%的空气量和部件占用空间，以及外壳、连接器PCB制造等成本。
多目标Pareto分析
在组件和系统级检查了各种选项进行分析。这些包括：LLC中图腾柱高频脚，EMI并联转换器级和矩阵变压器的数量
AC/DC等级开关频率(50kHz～150kHz)和DC/DC谐振频率(50kHz～350kHz)
被动组件的值
设计电感、变压器和电容器
基于这些变量，各种方案的整体性能可以通过研究所有可能的设计变体来计算。通过模拟，可以进一步获得每个设计的效率、体积和成本，然后与特定的财务假设相结合，计算整体所有权成本。
为了提供可靠的结果，模拟需要考虑许多不同的因素，包括从考虑电气模型到热性能和磁性能，分析不同电感器的损耗、体积和成本。
可以通过分析产生Pareto又称曲面Pareto边界，它以图形绘制的方式展示了最佳的设计选择。对于这些最佳方案中的每一个，如果要改变任何设计因素来提高性能的一个方面，性能的另一个方面肯定会变差。在现实生活中，设计工程师在选择最佳解决方案时，需要在各个方面进行权衡。
分析结果：GaN的优势
在230Vin54负载和50%评估Vout其效率和功率密度之间的关系如图2所示。对于基于氮化镓和硅设备设计的每个模拟，在图纸上放置一个红色（氮化镓）或蓝色（硅）点，以表示其效率和功率密度。
图2:基于氮化镓和硅的一系列54Vout设计效率和功率密度。
因此，可以确定硅和氮化镓设计的效率和功率密度Pareto最佳解决方案(见图3)。这意味着图中将绘制出任何给定的功率密度值的最高效设计。
图3：Pareto与硅设计相比，最最佳最高效率比较。
显然，氮化镓解决方案在所有功率密度下都更有效率。在高效区域，优势约为0.4%，与硅相比，氮化镓的改进在高密度区域(效率低)约为0.8%。此外，基于氮化镓的设计，其最大功率密度比硅设备方案高出近10%W/英寸3。
因此，我们可以考虑对财务的影响。为了使图形只包含两个变量，我们只考虑特定功率密度80W/英寸3的设计。需要注意的是，其他功率密度也可以得到类似的结果。通过保持恒定的功率密度，可以根据整体拥有成本绘制图表(见图4)。
在这里，整体所有权成本是通过考虑最低初始成本（但不一定是最低整体所有权成本）的硅设计来整合的，从而形成基准为100%的曲线。结果表明，随着效率的提高，氮化镓和硅的整体所有权成本正在下降。可以看出为97.氮化镓35%的解决方案总体成本比最佳硅解决方案高13%。
图4：与最高效的硅解决方案相比，最高效的80W/英寸3功率密度氮化镓设计可使整体拥有成本提高13%。
除了显著提高效率外，转化为热量的功耗也较小，从而降低了电费，降低了对冷却部件的要求。与基于硅的设计相比，氮化镓器件的上述优点优于其初始成本。
结论
英飞凌在考虑拓扑结构、组件、相关成本和能耗时进行Pareto分析表明，至少在高功率密度应用中，基于氮化镓的开关设备比基于硅的设计具有更低的整体所有权成本。随着市场转向更高功率密度设计，这意味着氮化镓设备的优势将进一步提高。
虽然基于氮化镓的初始电源成本高于使用硅设备的解决方案，但氮化镓解决方案将在更高效、更紧凑的体积和更低的控制复杂性方面带来优势。在讨论电力投资时，可以看出，基于氮化镓的解决方案将成为未来几年电力采购工程师的关键选择。
当然，确切的财务收入将取决于具体的应用程序和特定的电力成本，但在当今的大功率电信和服务器应用程序中，氮化镓开关设备可以节省大量的资金。通过使用几乎同样重要Pareto优化可以事先证明这些节约是可行的，从而将基于氮化镓的解决方案与可靠的业务案例结合起来，并证明如何有效分担稍高的初始成本。