ハイパースケールデータセンターにSiC MOSFETが選ばれる理由

10月 28, 2024

今日のデータセンターでは、コスト削減と排出量低減のために、電力を効率的に変換するパワー半導体が求められています。電力変換効率が向上すれば、熱の発生が抑えられ、冷却コストが削減されます。

電力システムは、システムの総コストが低く、サイズがコンパクトであることが必要です。したがって高い電力密度が求められます。これは特に、データセンターの平均電力密度が急速に増加しているためです。データセンターの平均電力密度は、10年前には1Uラックあたり標準5kWでしたが、今日では20kW、30kW、あるいはそれ以上に増加しています。

電源ユニット（PSU）もまた、データセンター業界の特定のニーズを満たす必要があります。AIデータセンターのPSUは、30%から100%の負荷で97.5%を超えるピーク効率、10%から30%の負荷で94%以上の最小効率が求められる、厳しいOpen Rack V3（ORV3）基本仕様を満たす必要があります。

電源トポロジ

PSUにおけるAC-DC変換の重要な部分として、入力電流を整形して有効電力と総入力電力の比率を最大化する、力率補正（PFC）ステージで高い効率を達成することが不可欠です。PFC設計は、IEC 61000-3-2のような規制における電磁両立性（EMC）を満たし、ENERGY STAR^®などのエネルギー効率仕様への準拠を確保する上で重要です。

多くのアプリケーションでは、データセンターの3kW～8kWシステムのPFCブロックに一般的に使用される「トーテムポール」PFC トポロジ（図2）が最適なアプローチです。MOSFETをベースにしたトーテムポールPFCステージは、容積が大きく損失の多いブリッジ整流器をなくすことで、AC電源の効率と電力密度を改善します。

T97.5％の効率を達成するには、トーテムポールPFCはシリコンカーバイド（SiC）のような「ワイドバンドギャップ」半導体を使用したMOSFETが必要です。今日、すべてのPFCステージが高速スイッチングレグにSiC MOSFETを使用し、位相または低速レグにシリコンベースのスーパージャンクションMOSFETを使用しています。

SiC MOSFETは、スーパージャンクションMOSFETのようなシリコン（Si）MOSFETに比べて性能が高く、効率も向上しています。高温で優れた性能を発揮し、堅牢性も向上しており、より高いスイッチング周波数で動作できます。

Si MOSFETに比べてSiC MOSFETは、出力容量（E_OSS）に蓄積するエネルギーが少なくなります。このことは、低負荷動作時にスイッチング損失部分がMOSFET全体の電力損失の大部分を占めるため、PFCステージの低負荷条件では重要です。E_OSSとゲート電荷が低いため、スイッチング時のエネルギー損失を最小限に抑えて、トーテムポールPFC高速レグの高効率化を達成します。また、SiC MOSFETは、熱伝導率がシリコン系デバイスの3倍も優れているため、Si MOSFETに比べて良好なR_DS(ON) の温度係数（正）を示します。

これはSiC MOSFETの方がSi MOSFETよりも、接合部温度の上昇に伴うオン抵抗の増加が少ないことを意味します。伝導損失は全体の電力損失の大部分を占めているため、175℃のような高温ではSiC MOSFETの低伝導損失は有効です。

以下の表に、現在入手可能な650VスーパージャンクションMOSFETとオンセミの650V SiC MOSFETの主要パラメータの比較を示します。

BVDSS

技術

R_DS(ON) (Typ.) @T_J:25C

R_DS(ON) (Typ.) @T_J:175C

Qg

@400V

Eoss @400V

650 V

スーパージャンクション MOSFET

23 mohm

57.5 mohm

259 nC

27 uJ

650 V

M3S

SiC MOSFET

23 mohm

34.5 mohm

69 nC

15 uJ

SiC MOSFETによる効率の向上

さまざまなSiC MOSFETオプションの中で、NTBL032N065M3SおよびNTBL023N065M3Sを含むオンセミ製の650V M3S EliteSiC MOSFETは、クラス最高のスイッチング性能を提供し、ハイパースケールデータセンターのPFCおよびLLCステージの効率を大幅に向上させます。

M3S EliteSiC技術は、それぞれゲート電荷を50%、E_OSSを44%、出力容量（Q_OSS）の蓄積電荷を44%低減しており、前世代を上回ります。この卓越したE_OSS数値により、PFCステージのハードスイッチングトポロジで使用する場合、軽負荷時のシステム効率が向上します。さらに、Q_OSSが低いため、LLCステージのソフトスイッチングトポロジに対する共振タンクインダクタンス設計が簡素化されます。

M3S EliteSiC MOSFETは、優れたスイッチング性能と電力効率により放熱が減少しています。さらに、MOSFETのゲート電荷量Qgは、この電圧クラスで最高レベルであり、ゲート駆動損失を低減します。優れたQgsとQgdにより、スイッチングのターンオン損失とターンオフ損失も減少します。

LLCブロックでは、オフ状態からダイオード導通へのV_DS遷移には出力容量の放電が必要です。これを迅速に達成するには、過渡出力容量を小さくする必要があります。過渡C_OSSは、共振タンクからの循環損失を最小限に抑えて、LLCのデッドタイムを短縮でき、それによって一次側の循環損失が減少するため重要です。オン状態での抵抗が低いと伝導損失が最小限に抑えられ、E_OFFが低いとスイッチングを抑えられます。

全体として、システム効率の向上が最も重要な性能基準であるため、SiC MOSFETはデータセンターのPFCおよびLLCステージにおいて最適な選択肢となります。

市販されているSiC MOSFETの中で、 オンセミの650V EliteSiC MOSFETは、同一R_DS(ON)に基づくコスト、EMI、高温動作、スイッチング性能の点で、スーパージャンクションMOSFETに対して競争力があります。650V M3S EliteSiC MOSFETは、同一パッケージのスーパージャンクションMOSFETよりもR_DS(ON) が低く、LLCトポロジのシステム効率が向上します。また、スイッチング損失がはるかに低いため、シリコンの代替品よりも高い評価を得ています。