Os semicondutores de ampla banda proibida conduzem a eficiência em datacenters

Os datacenters desempenham um papel crucial e essencial no mundo cada vez mais digital, conectado e virtualizado. Uma vez que os datacenters têm enormes demandas de energia, são necessárias soluções de energia que possam reduzir as perdas de energia, aumentar a eficiência e melhorar o controle térmico.

O tráfego na Internet cresceu consideravelmente nos últimos tempos devido a um número mais significativo de usuários, ao uso generalizado de dispositivos móveis e redes sociais, e ao armazenamento remoto de informações na nuvem. De acordo com analistas, o crescimento deste tráfego ainda precisa atingir a saturação total.

Essas previsões de crescimento levantam questões relativas à eficiência dos equipamentos e ao consumo de eletricidade, o que estimula o desenvolvimento de novas tecnologias de conversão de energia eficiente, como as oferecidas pelos dispositivos de potência de ampla banda proibida (WBG).

Eficiência é primordial

Além da infra-estrutura física, um datacenter é uma estrutura que abriga servidores de computador em rede para processamento eletrônico, armazenamento e distribuição de dados. O componente principal de um datacenter é o servidor, um dispositivo que armazena dados que alimentam a Internet, computação em nuvem e intranets corporativas.

A demanda de energia está aumentando devido ao crescente volume de dados digitais criados, processados e armazenados. Além dos racks de alimentação, armazenamento de dados e unidades de rede, os datacenters também precisam de equipamentos auxiliares de refrigeração e ventilação para remover o calor produzido durante o processamento de dados e a conversão de energia elétrica.

A estrutura típica do sistema de conversão de energia usado em um datacenter compreende vários conversores de tensão CA/CC, CC/CA e CC/CC, dos quais depende estritamente a eficiência de todo o datacenter. Há dois benefícios principais para diminuir as perdas nos conversores que alimentam os dispositivos de processamento e armazenamento de dados. Em primeiro lugar, não há necessidade de fornecer a energia que não está sendo convertida em calor; em segundo lugar, há uma redução na energia necessária para eliminar o calor desperdiçado.

A eficiência do datacenter é frequentemente medida com a métrica de eficiência do uso de energia (PUE). Desenvolvido pela The Green Grid como uma forma padrão de comparar o uso de energia do datacenter, o PUE é definido como a relação geral do uso de energia do datacenter com o uso de energia dos equipamentos de tecnologia da informação (TI).

A medida PUE é uma estatística básica o suficiente para identificar áreas para desenvolvimento. Apesar de não ser uma métrica perfeita, ela se tornou um padrão industrial. O PUE deve idealmente ficar perto da unidade, o que significa que o datacenter só exige a eletricidade para dar suporte a sua demanda de TI. Entretanto, de acordo com o Laboratório Nacional de Energia Renovável (NREL)2, a média de PUE é de cerca de 1,8. Os valores PUE dos datacenters variam amplamente, mas os datacenters focados na eficiência frequentemente atingem valores PUE de 1,2 ou menos.

Um PUE elevado pode ter diferentes causas, como as seguintes:

• Servidores 'zumbis' (ou 'comatosos') e fontes de alimentação ininterrupta (UPSs), ou seja, equipamentos ligados, mas não totalmente utilizados. Compreende dispositivos ociosos involuntariamente que consomem eletricidade sem visibilidade ou comunicações externas
• Estratégias ineficientes de backup e resfriamento
• Os datacenters estão mais focados na confiabilidade do que na eficiência

Adicionar inversores de frequência variável (VFD) às ventoinhas de resfriamento e minimizar o número de servidores e UPSs são dois métodos comuns para baixar o PUE. Nos últimos anos, a transição das arquiteturas antigas de 12 V para soluções mais eficientes de 48 V (ver Figura 1) reduziu as perdas significativas de energia (perdas de I2R), proporcionando soluções mais eficientes aos sistemas de processamento, cada vez mais exigentes. O uso de 48 V na arquitetura de potência resulta em perdas I2R dezesseis vezes menores. Isto ajuda a atender às sempre exigentes demandas de eficiência energética, considerando que uma melhoria de 1% na eficiência pode economizar quilowatts em todo o nível do datacenter.

Figura 1: Os semicondutores WBG oferecem melhor desempenho do que o silício. (Fonte da imagem: Researchgate)

Vantagens dos semicondutores WBG em datacenters

Embora o silício (Si) seja a tecnologia mais bem conhecida, ele tem uma banda proibida menor que os materiais de ampla banda proibida (WBG), como o nitreto de gálio (GaN) e o carbeto de silício (SiC), o que reduz sua temperatura de operação, limita seu uso a tensões mais baixas e reduz sua condutividade térmica.

A adoção de dispositivos de potência mais eficazes, tais como semicondutores WBG no lugar do silício, pode ser uma alternativa mais eficaz. Os semicondutores WBG, tais como GaN e SiC, permitem superar os limites da tecnologia de silício, fornecendo altas tensões de ruptura, alta frequência de chaveamento, baixas perdas de condução e chaveamento, melhor dissipação de calor e fator de forma menor (ver Figura 1). Isto resulta em maior eficiência da fonte de alimentação e dos estágios de conversão de energia. Como mencionado anteriormente, em um datacenter, mesmo um único ponto percentual de aumento na eficiência pode se traduzir em economia substancial de energia.

GaN

O GaN é uma classe emergente de material de ampla banda proibida porque tem uma banda proibida para elétrons três vezes maior (3,4 eV) do que o silício (1,1 eV). Além disso, o GaN tem o dobro da mobilidade de elétrons em relação ao silício. A bem conhecida e inigualável eficiência do GaN em frequências de chaveamento muito altas é possível graças a sua tremenda mobilidade de elétrons.

Estas propriedades permitem que dispositivos de potência baseados em GaN suportem campos elétricos mais fortes em uma pastilha de tamanho menor. Transistores menores e caminhos de corrente mais curtos resultam em resistência e capacitância baixíssima, permitindo velocidades de chaveamento até 100 vezes mais rápidas.

A redução da resistência e da capacitância também aumenta a eficiência da conversão de energia, dando mais potência para cargas de trabalho em datacenters. Em vez de produzir mais calor, o que exigiria mais resfriamento para o datacenter, mais operações de datacenter podem ser feitas por watt. O chaveamento de frequência em alta velocidade também diminui o tamanho e o peso dos componentes passivos armazenadores de energia, pois cada ciclo de chaveamento armazena substancialmente menos energia. Outra vantagem do GaN é sua capacidade de suportar diferentes topologias de conversores de energia e fonte de alimentação.

As principais características do GaN relevantes para aplicações em datacenter são as seguintes:

• Suporte para topologias de chaveamento duro e suave
• Rápida ativação e desativação (a forma de onda do chaveamento de GaN é quase idêntica à onda quadrada ideal)
• Sem carga de recuperação reversa
• Em comparação com a tecnologia Si:
  • Campo de ruptura 10x superior
  • Mobilidade 2x maior
  • Carga de saída 10x menor
  • Característica Coss linear e carga na porta 10x menor

Estas características permitem que os dispositivos de potência em GaN criem soluções alcançando:

• Alta eficiência, densidade de potência e frequências de chaveamento
• Redução do fator de forma e da resistência de saturação
• Baixo peso
• Operação de chaveamento quase sem perdas.

A Figura 2 mostra uma típica aplicação de destino para dispositivos de potência em GaN. Estes estágios PFC do tipo totem-pole sem ponte de alta tensão e LLC ressonantes de alta tensão podem atender aos rigorosos requisitos das SMPS do servidor, alcançando uma eficiência plana acima de 99% em uma ampla faixa de carga e alta densidade de potência.

Figura 2: Fonte de alimentação chaveada (SMPS) em GaN de alta eficiência para servidores de datacenter (Fonte: Infineon)

SiC

Historicamente, uma das primeiras aplicações dos dispositivos de potência de SiC em datacenters considerava o equipamento UPS. A UPS é essencial para que os datacenters evitem os efeitos potencialmente desastrosos de uma falha ou interrupção de tensão da rede em suas operações. A redundância da fonte de alimentação é crucial para assegurar a continuidade operacional e a confiabilidade de um datacenter. A otimização da eficácia do consumo de energia (PUE) do datacenter é uma prioridade principal de todo empresário e da administração de operações.

Uma fonte de energia confiável e constante é necessária para um datacenter. Os sistemas UPS independentes de tensão e frequência (VFI) são frequentemente empregados para atender a este requisito. Um conversor CA/CC (retificador), um conversor CC/CA (inversor), e um filtro CC compreendem um dispositivo UPS VFI. Uma chave de desvio, usada principalmente durante a manutenção, conecta a saída da UPS diretamente à fonte de energia CA na entrada. No caso de uma falha de energia elétrica, a bateria, normalmente constituída por muitas células, conecta-se a um conversor buck ou boost e alimenta a fonte de alimentação.

Como a tensão alternada na entrada é convertida em tensão contínua e depois novamente em uma tensão de saída precisamente sinusoidal, estes dispositivos são tipicamente circuitos de dupla conversão. O resultado elimina qualquer variação da tensão de alimentação, permitindo que a UPS forneça à carga um sinal estável e limpo. Além de isolar o sistema da fonte de energia, o processo de conversão de tensão protege a carga das flutuações da voltagem.

Até recentemente, os transistores bipolares de porta isolada (IGBTs) com topologias de chaveamento de três níveis tinham os melhores resultados em termos de eficiência. Níveis de eficiência de 96% foram alcançados graças a esta abordagem, o que representa uma melhoria significativa em relação aos modelos anteriores baseados em transformadores.

Os transistores de carbeto de silício tornaram possível reduzir significativamente (> 70%) as perdas de energia e aumentar a eficiência em sistemas UPS de dupla conversão. Esta notável eficiência (mais de 98%) persiste durante cenários de cargas mais baixas e pesadas.

Os resultados deste tipo são obtidos devido às propriedades intrínsecas do carbeto de silício. Em comparação com os dispositivos tradicionais baseados em silício, tais como MOSFETs e IGBTs, o SiC pode operar em temperaturas, frequências e tensões mais altas.

Um benefício adicional da UPS baseada em SiC é um melhor valor da perda de calor (ou rejeição de calor), que permite a operação em temperaturas mais altas. Esta característica permite que os projetistas adotem soluções de resfriamento mais compactas e econômicas. Em geral, uma UPS baseada em SiC é mais eficiente, mais leve e menor do que um modelo equivalente com componentes baseados em silício.

Os semicondutores de SiC podem operar a temperaturas mais altas do que os semicondutores Si tradicionais devido às suas propriedades inerentes. Os custos de resfriamento do cliente podem assim ser reduzidos devido à menor perda de calor da UPS e à capacidade de operar a temperaturas mais altas.

Ao maximizar o espaço disponível em um datacenter, uma UPS baseada em SiC reduz o peso e o tamanho em comparação com a UPS convencional baseada em Si. Além disso, uma UPS baseada em SiC requer menos espaço no chão, aumentando a capacidade de energia disponível em uma determinada área.

Conclusão

Em resumo, os materiais WBG, como GaN e SiC, são semicondutores emergentes que estabelecerão uma nova trajetória para a eletrônica de potência em aplicações exigentes, tais como datacenters. Seus benefícios incluem maior eficiência do sistema, menores exigências do sistema de resfriamento, operação a temperaturas mais altas e maior densidade de potência. Com a integração dos dispositivos de potência de GaN e SiC em conversores de tensão e fontes de alimentação, as metas dos operadores de datacenter para alcançar maior eficiência, maximizar o espaço no chão e reduzir os custos operacionais em toda a instalação estão sendo alcançadas.