ワイドバンドギャップ半導体はデータセンターの効率を向上

データセンターは、デジタル化、コネクテッド化、仮想化が進む世界において、極めて重要かつ不可欠な役割を担っています。データセンターは膨大なエネルギーを必要とするため、電力損失の削減、効率の向上、熱制御の強化が可能なパワーソリューションが求められています。

インターネット上のトラフィックは、ユーザー数の増加、モバイル機器やソーシャルネットワークの普及、クラウドによる情報の遠隔保存などにより、近年著しく増大しています。アナリストによると、このトラフィックの増加はまだ完全に飽和状態に達していません。

このような成長予測は、デバイスの効率と消費電力に関する疑問を提起し、ワイドバンドギャップ（WBG）パワーコンポーネントなど、エネルギー効率の高い新しい電力変換技術の開発を促しています。

効率性を最重要視

データセンターは、物理的なインフラに加えて、データの電子的な処理、保存、配布のためにネットワーク化されたコンピュータサーバを収容する構造物です。データセンターの主要な構成要素はサーバです。サーバは、インターネット、クラウドコンピューティング、企業内イントラネットを支えるデータを保存する装置です。

作成、処理、保存されるデジタルデータの量の増加により、エネルギー需要が増加しています。データセンターでは、ラック、データストレージ、ネットワークユニットへの電力供給に加えて、データ処理や電力変換の際に発生する熱を除去するための補助冷却装置や換気装置も必要です。

データセンターで使用される電力変換システムの典型的な構造は、複数のAC/DC、DC/AC、DC/DC電圧コンバータで構成されており、データセンター全体の効率はこれらに大きく依存しています。データ処理機器やストレージ機器に電力を供給するコンバータの損失を減らすことは、2つの大きな利点があります。第1に、熱に変換されないエネルギーを供給する必要がないこと、第2に、廃熱の処理に必要なエネルギーが削減されることです。

データセンターの効率は、しばしば電力使用効率（PUE）の指標で測定されます。データセンターのエネルギー使用を比較する標準的な方法としてグリーングリッドが開発したPUEは、情報技術（IT）機器のエネルギー使用量に対するデータセンター全体のエネルギー使用量の比率として定義されています。

PUE値は、開発が必要な領域を特定するのに十分な基本的な統計値です。完璧な指標ではないにもかかわらず、業界標準となっています。PUEは理想的には1に近いことが求められます。これは、データセンターがIT需要をサポートする電力のみを必要とすることを意味します。しかし、米国国立再生可能エネルギー研究所（NREL）2によると、平均的なPUEは1.8程度とされています。データセンターのPUE値には幅がありますが、効率重視のデータセンターではPUE値1.2以下を達成することが多いようです。

PUEが高いということは、次のようなさまざまな原因が考えられます。

• 「ゾンビ」（または「昏睡」）状態のサーバや無停電電源装置（UPS）、つまり電源は入っているものの十分に活用されていない機器。見えないところで、外部からの通信なしに電力を消費する、意図しないアイドル状態の機器で構成されています。
• 非効率なバックアップと冷却戦略
• データセンターが効率性より信頼性を重視

冷却ファンに可変周波数ドライブ（VFD）を追加すること、サーバやUPSの数を最小限にすることは、PUEを下げるための一般的な方法です。ここ数年、従来の12Vアーキテクチャから、より効率的な48Vソリューション（図1参照）への移行が進んでいます。これにより、電力損失（I2R損失）が大幅に削減され、多くの電力を消費する処理システムがますます効率的なソリューションを装備できるようになりました。パワーアーキテクチャに48Vを使用することで、I2R損失を16分の1に低減することができます。これにより、効率が1%向上すれば、データセンター全体で数キロワット節約できるため、ますます厳しくなるエネルギー効率要件に対応することができます。

図1：WBG半導体は、シリコンよりも優れた性能を発揮します。（画像提供：Researchgate）

データセンターにおけるWBG半導体のメリット

シリコン（Si）は最もよく知られた技術ですが、窒化ガリウム（GaN）やシリコンカーバイド（SiC）などのワイドバンドギャップ（WBG）材料に比べてバンドギャップが小さいため、動作温度が低く、低電圧での使用に制限され、熱伝導性も低くなります。

シリコンの代わりにWBG半導体などのより効果的なパワーデバイスを採用することで、より効果的な代替が可能となります。GaNやSiCなどのWBG半導体は、シリコン技術の限界を克服し、高い降伏電圧、高いスイッチング周波数、低い伝導損失とスイッチング損失、優れた放熱性、より小さなフォームファクタを実現します（図1参照）。その結果、電源や電力変換段の効率を高めることができます。前述したように、データセンターでは、効率が1パーセントポイントでも上がれば、かなりの省エネにつながります。

GaN

GaNは、シリコン（1.1eV）の3倍（3.4eV）の電子バンドギャップを持つため、ワイドバンドギャップ材料として注目されています。さらに、GaNはシリコンに比べ、電子移動度が2倍です。GaNは、その驚異的な電子移動度により、非常に高いスイッチング周波数で優れた効率を発揮します。

これらの特性により、GaN系パワーデバイスは、より小さなダイサイズで強い電界に耐えることができます。トランジスタの小型化と電流経路の短縮により、超低抵抗・低容量化を実現し、最大で100倍の高速スイッチングを可能にしています。

また、抵抗や容量の低減により電力変換効率が向上し、データセンターのワークロードに必要な電力を確保することができます。より多くの熱を発生させ、データセンターの冷却の必要性を高める代わりに、1ワットあたりより多くのデータセンター業務を実行することができます。また、高速周波数スイッチングでは、スイッチングサイクルごとに蓄積されるエネルギーが大幅に減少するため、エネルギーを蓄積する受動部品のサイズと重量も削減されます。GaNのもう1つの利点は、異なるパワーコンバータと電源のトポロジに対応できることです。

データセンター用途に関連するGaNの主な特長は以下の通りです。

• ハードおよびソフトのスイッチングトポロジに対応
• 高速ターンオン/ターンオフ（GaNスイッチング波形は理想的な矩形波とほぼ同じ）
• ゼロ逆回復電荷
• Si技術との比較：
  • 10倍以上の降伏電圧電界
  • 2倍高い電子移動度
  • 10分の1の出力電荷
  • 10分の1のゲート電荷、リニアなCoss特性

これらの特長により、GaNパワーデバイスは、次の利点を持つソリューションを実現することができます。

• 高い効率、電力密度、スイッチング周波数
• フォームファクタとオン抵抗の低減
• 軽量
• ほぼ無損失のスイッチング動作

GaNパワーデバイスの代表的なターゲットアプリケーションを図2に示します。これらの高電圧ブリッジレストーテムポールPFC段と高電圧共振LLC段は、サーバSMPSの厳しい要件を満たすことができます。また、広い負荷範囲と高い電力密度で99%を超えるフラットな効率を達成します。

図2：データセンターサーバ向け高効率GaNスイッチドモード電源（SMPS）（提供：Infineon）

SiC

データセンターにおけるSiCパワーデバイスの最初のアプリケーションの1つは、歴史的にUPS装置とされています。データセンターでは、主電源電圧の障害や中断による業務への影響を防ぐために、UPSが不可欠です。電源の冗長化は、データセンターの運用の継続性と信頼性を保証するために極めて重要です。データセンターの電力消費効率（PUE）を最適化することは、すべての起業家や運用管理者にとって主要な優先事項です。

データセンターには、信頼できる定電力電源が必要です。この要件を満たすために、電圧・周波数非依存型（VFI）UPSシステムが頻繁に採用されています。AC/DCコンバータ（整流器）、DC/ACコンバータ（インバータ）、DCリンクは、VFI UPS装置を構成します。バイパススイッチは、主にメンテナンス時に使用され、UPSの出力を入力のAC電源に直接接続します。主電源が断たれた場合、多くのセルで構成されるバッテリは、降圧または昇圧コンバータに接続され、電源に電力を供給することができます。

入力の交流電圧を直流電圧に変換し、さらに正確な正弦波出力電圧に変換するため、これらのデバイスは通常、二重変換回路です。その結果、電源電圧の変動がなくなり、UPSは安定したクリーンな信号を負荷に供給できるようになります。電源からシステムを分離することに加え、電圧変換処理により負荷を電圧変動から保護します。

これまで、3レベルのスイッチングトポロジを持つ絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT）が最高の効率結果を出していました。このアプローチにより、96%の効率レベルを達成し、以前のトランスベースのモデルから大きく改善されました。

シリコンカーバイドトランジスタにより、ダブルコンバージョンUPSシステムの電力損失を70%以上削減し、効率を高めることが可能になりました。また、低負荷時や高負荷時でも98%以上の高い効率性を維持しています。

このような結果が得られるのは、シリコンカーバイドが本来持っている特性によるものです。SiCは、MOSFETやIGBTなどの従来のシリコン系デバイスに比べ、より高い温度、周波数、電圧での動作が可能です。

さらに、SiCベースのUPSの利点として、熱損失値（または熱除去率）が向上し、より高い温度での動作が可能になることが挙げられます。この特長により、よりコンパクトで経済的な冷却ソリューションを採用することができます。SiCベースのUPSは、シリコン系部品を使用した同等機種に比べ、高効率で軽量・小型です。

SiC系半導体は、その固有の特性により、従来のSi系半導体よりも高い温度で動作させることができます。UPSは熱損失が少なく、高温での動作が可能なため、お客様の冷却コストを削減することができます。

データセンターで利用可能な床面積を最大限に活用する場合、SiCベースのUPSは、従来のSiベースのUPSと比較して、重量とサイズを削減します。さらに、SiCベースのUPSは、床面積が小さくて済むので、与えられたエリアでの利用可能な電力容量を増やすことができます。

まとめ

要約すると、WBG材料は、GaNやSiCと同様に、データセンターなどの要求の厳しいアプリケーションにおけるパワーエレクトロニクスの新しい道を切り開く新しい半導体です。その利点は、システム効率の向上、冷却システム要件の低減、より高い温度での動作、より高い電力密度などです。GaNやSiCパワーデバイスを電圧コンバータや電源に組み込むことで、データセンター事業者の目標である高効率化、床面積の最大化、施設全体の運用コスト削減が達成されつつあります。