Los semiconductores de banda prohibida impulsan la eficiencia de los centros de datos

Los centros de datos desempeñan un papel crucial y esencial en un mundo cada vez más digital, conectado y virtualizado. Dado que los centros de datos tienen enormes necesidades energéticas, se necesitan soluciones de alimentación que puedan reducir las pérdidas de energía, aumentar la eficiencia y mejorar el control térmico.

El tráfico en Internet ha crecido considerablemente en los últimos tiempos debido a un mayor número de usuarios, el uso generalizado de dispositivos móviles y redes sociales, y el almacenamiento remoto de información en la nube. Según los analistas, el crecimiento de este tráfico aún debe alcanzar la plena saturación.

Estas previsiones de crecimiento plantean interrogantes sobre la eficiencia de los equipos y el consumo de electricidad, lo que impulsa el desarrollo de nuevas tecnologías de conversión de potencia energéticamente eficientes, como las que ofrecen los dispositivos de potencia de banda prohibida ancha (WBG).

La eficiencia es primordial

Además de la infraestructura física, un centro de datos es una estructura que acoge servidores informáticos conectados en red para el tratamiento electrónico, el almacenamiento y la distribución de datos. El componente clave de un centro de datos es el servidor, un dispositivo que almacena los datos que alimentan Internet, la computación en nube y las intranets corporativas.

La demanda de energía aumenta debido al creciente volumen de datos digitales creados, procesados y almacenados. Además de alimentar los bastidores, el almacenamiento de datos y las unidades de red, los centros de datos también necesitan equipos auxiliares de refrigeración y ventilación para eliminar el calor producido durante el procesamiento de datos y la conversión de la energía eléctrica.

La estructura típica del sistema de conversión de potencia utilizado en un centro de datos comprende varios convertidores de tensión CA/CC, CC/CA y CC/CC, de los que depende estrictamente la eficiencia de todo el centro de datos. Reducir las pérdidas en los convertidores que alimentan los dispositivos de procesamiento de datos y almacenamiento tiene dos ventajas fundamentales. En primer lugar, no es necesario suministrar la energía que no se convierte en calor; en segundo lugar, se reduce la energía necesaria para eliminar el calor residual.

La eficiencia de los centros de datos suele medirse con la métrica de la eficacia del uso de la energía (PUE). Desarrollado por The Green Grid como método estándar para comparar el consumo energético de los centros de datos, el PUE se define como la relación entre el consumo energético total de los centros de datos y el consumo energético de los equipos de tecnología de la información (TI).

La medida PUE es una estadística lo suficientemente básica como para identificar áreas de desarrollo. A pesar de no ser una métrica perfecta, se ha convertido en una norma del sector. Lo ideal es que el PUE se aproxime a la unidad, es decir, que el centro de datos sólo necesite electricidad para cubrir su demanda de TI. Sin embargo, según el Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL)2, el PUE medio se sitúa en torno a 1.8. Los valores de PUE de los centros de datos varían mucho, pero los centros de datos centrados en la eficiencia suelen alcanzar valores de PUE de 1.2 o menos.

Un PUE elevado puede tener diferentes causas, como las siguientes:

• Servidores "zombis" (o "comatosos") y sistemas de alimentación ininterrumpida (SAI), es decir, equipos encendidos, pero no plenamente utilizados. Comprende los dispositivos inactivos involuntariamente que consumen electricidad sin visibilidad ni comunicaciones externas.
• Estrategias de respaldo y refrigeración ineficaces
• Los centros de datos se centran más en la fiabilidad que en la eficiencia

Añadir variadores de frecuencia (VFD) a los ventiladores de refrigeración y minimizar el número de servidores y SAI son dos métodos habituales para reducir el PUE. En los últimos años, la transición de las arquitecturas heredadas de 12 V a soluciones más eficientes de 48 V (véase la Figura 1) ha reducido significativamente las pérdidas de potencia (pérdidas I2R), proporcionando a los sistemas de procesamiento cada vez más exigentes en potencia soluciones más eficientes. El uso de 48 V en la arquitectura de potencia reduce dieciséis veces las pérdidas I2R. Esto ayuda a cumplir los requisitos de eficiencia energética cada vez más exigentes, teniendo en cuenta que una mejora de la eficiencia del uno por ciento puede ahorrar kilovatios en todo el centro de datos.

Figura 1: Los semiconductores WBG ofrecen mejores prestaciones que el silicio. (Fuente de la imagen: Researchgate)

Ventajas de los semiconductores WBG en los centros de datos

Aunque el silicio (Si) es la tecnología más conocida, tiene una banda prohibida menor que la de los materiales de banda ancha (WBG), como el nitruro de galio (GaN) y el carburo de silicio (SiC), lo que disminuye su temperatura de funcionamiento, limita su uso a voltajes bajos y reduce su conductividad térmica.

Adoptar dispositivos de potencia más eficaces, como semiconductores WBG en lugar de silicio, puede ser una alternativa más efectiva. Los semiconductores WBG, como el GaN y el SiC, permiten superar los límites de la tecnología del silicio, proporcionando altos voltajes disruptivos, alta frecuencia de conmutación, bajas pérdidas de conducción y conmutación, mejor disipación del calor y menor factor de forma (véase la Figura 1). El resultado es una mayor eficiencia de la fuente de alimentación y de las etapas de conversión de potencia. Como ya se ha dicho, en un centro de datos, incluso un solo punto porcentual de aumento de la eficiencia puede traducirse en un ahorro sustancial de energía.

GaN

El GaN es una clase emergente de material de banda prohibida ancha porque tiene una banda prohibida de electrones tres veces mayor (3.4 eV) que el silicio (1.1 eV). Además, el GaN tiene el doble de movilidad electrónica que el silicio. La conocida e incomparable eficiencia del GaN a frecuencias de interruptor muy altas es posible gracias a su enorme movilidad de electrones.

Estas propiedades permiten a los dispositivos de potencia basados en GaN soportar campos eléctricos más intensos en un tamaño de molde más pequeño. Los transistores más pequeños y los recorridos de corriente más cortos dan como resultado una resistencia y una capacitancia ultrabajas, lo que permite velocidades de conmutación hasta 100 veces más rápidas.

La reducción de la resistencia y la capacitancia también aumenta la eficiencia de la conversión de energía, lo que proporciona más potencia para las cargas de trabajo en los centros de datos. En lugar de producir más calor, lo que requeriría más refrigeración para el centro de datos, se pueden realizar más operaciones de centro de datos por vatio. La conmutación de frecuencias a alta velocidad también reduce el tamaño y el peso de los componentes pasivos que almacenan energía, ya que cada ciclo de conmutación almacena mucha menos energía. Otra ventaja del GaN es su capacidad para admitir distintas topologías de convertidores y fuentes de alimentación.

Las características clave de GaN relevantes para las aplicaciones de centros de datos son las siguientes:

• Compatibilidad con topologías de conmutación dura y suave
• Encendido y apagado rápidos (la forma de onda de conmutación del GaN es casi idéntica a la onda cuadrada ideal)
• Carga de recuperación inversa cero
• En comparación con la tecnología Si:
  • Campo de ruptura 10 veces superior
  • Doble de movilidad
  • Carga de salida 10 veces menor
  • Carga de puerta 10 veces menor y característica Coss lineal

Estas características permiten a los dispositivos de potencia GaN hacer que las soluciones logren:

• Alta eficiencia, densidad de potencia y frecuencias de conmutación
• Factor de forma reducido y resistencia en estado encendido
• Bajo peso
• Funcionamiento de los interruptores prácticamente sin pérdidas.

En la figura 2 se muestra una aplicación típica de los dispositivos de potencia de GaN. Estas etapas PFC sin puente de alto voltaje y etapas LLC resonantes de alto voltaje pueden satisfacer los estrictos requisitos de las SMPS de servidor, logrando una eficiencia plana superior al 99% en un amplio rango de carga y una alta densidad de potencia.

Figura 2: Fuente de alimentación de modo conmutado (SMPS) de GaN de alta eficiencia para servidores de centros de datos (Fuente: Infineon).

SiC

Históricamente, una de las primeras aplicaciones de los dispositivos de alimentación de SiC en los centros de datos fueron los equipos SAI. Los SAI son esenciales para que los centros de datos eviten los efectos potencialmente desastrosos de un fallo o interrupción de la red eléctrica en sus operaciones. La redundancia de la fuente de alimentación es crucial para garantizar la continuidad operativa y la fiabilidad de un centro de datos. Optimizar la eficacia del consumo de energía (PUE) del centro de datos es una de las principales prioridades de todo empresario y gestor de operaciones.

Un centro de datos necesita una fuente de potencia constante y fiable. Los sistemas SAI independientes de la tensión y la frecuencia (VFI) se emplean con frecuencia para cumplir este requisito. Un convertidor CA/CC (rectificador), un convertidor CC/CA (inversor) y un enlace de CC componen un dispositivo SAI VFI. Un interruptor de derivación, utilizado principalmente durante el mantenimiento, conecta la salida del SAI directamente a la fuente de Alimentación de CA en la entrada. En caso de avería de la red eléctrica, la batería, formada normalmente por muchas celdas, se conecta a un convertidor reductor o elevador y alimenta la fuente de alimentación.

Dado que la tensión alterna de entrada se convierte en tensión continua y, a continuación, en una tensión de salida exactamente sinusoidal, estos dispositivos suelen ser circuitos de doble conversión. El resultado elimina cualquier variación de la tensión de alimentación, lo que permite al SAI proporcionar a la carga una señal constante y limpia. Además de aislar el sistema de la fuente de alimentación, el proceso de conversión de tensión protege la carga de las fluctuaciones de tensión.

Hasta hace poco, los transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) con topologías de conmutación de tres niveles obtenían los mejores resultados de eficiencia. Gracias a este planteamiento, se alcanzaron niveles de eficiencia del 96%, lo que supone una mejora significativa con respecto a los modelos anteriores basados en transformadores.

Los transistores de carburo de silicio han permitido reducir considerablemente (> 70%) las pérdidas de potencia y aumentar la eficiencia de los sistemas SAI de doble conversión. Esta notable eficiencia (más del 98%) persiste tanto en situaciones de carga baja como de carga pesada.

Se obtienen resultados de este tipo gracias a las propiedades intrínsecas del carburo de silicio. Comparado con los dispositivos tradicionales basados en silicio, como los MOSFET y los IGBT, el SiC puede funcionar a temperaturas, frecuencias y voltajes más elevados.

Una ventaja adicional de los SAI basados en SiC es un mejor valor de pérdida de calor (o rechazo del calor), lo que permite su funcionamiento a temperaturas más elevadas. Esta característica permite a los diseñadores adoptar soluciones de refrigeración más compactas y económicas. En general, un SAI basado en SiC es más eficiente, ligero y pequeño que un modelo equivalente con componentes basados en silicio.

Los semiconductores basados en SiC pueden funcionar a temperaturas más elevadas que los semiconductores tradicionales de Si gracias a sus propiedades inherentes. De este modo, los costos de refrigeración del cliente pueden reducirse gracias a la menor pérdida de calor del SAI y a su capacidad para funcionar a temperaturas más elevadas.

A la hora de maximizar el espacio disponible en un centro de datos, un SAI basado en SiC reduce el peso y el tamaño en comparación con los SAI convencionales basados en Si. Además, un SAI basado en SiC requiere menos espacio, lo que aumenta la capacidad de alimentación disponible en un área determinada.

Conclusión:

En resumen, los materiales WBG, como el GaN y el SiC, son semiconductores emergentes que establecerán una nueva trayectoria para la electrónica de potencia en aplicaciones exigentes como los centros de datos. Sus ventajas incluyen una mayor eficiencia del sistema, menores requisitos del sistema de refrigeración, funcionamiento a temperaturas más elevadas y mayor densidad de potencia. Con la integración de dispositivos de potencia de GaN y SiC en convertidores de voltaje y fuentes de alimentación, se están alcanzando los objetivos de los operadores de centros de datos de lograr una mayor eficiencia, maximizar el espacio de suelo y reducir los costos operativos en toda la instalación.