데이터 센터의 효율성을 높이는 와이드 밴드갭 반도체

데이터 센터는 점점 더 디지털화되고, 네트워크에 연결되며, 가상화되는 세계에서 핵심적이고 필수적인 역할을 담당하고 있습니다. 데이터 센터에는 막대한 에너지가 필요하므로, 전력 손실을 줄이고 효율성을 높이며 열 제어를 강화할 수 있는 전력 솔루션이 요구됩니다.

최근 인터넷 통신량은 사용자 수의 증가, 모바일 장치 및 소셜 네트워크의 광범위한 사용, 클라우드에 정보를 원격으로 저장하는 등의 이유로 급격히 증가했습니다. 전문가들은 이 통신량의 증가가 아직 포화 상태에 도달한 것은 아니라고 분석하고 있습니다.

이러한 성장 전망으로 인해 장비 효율성과 전력 소비에 대한 의문이 제기되고 있으며, 따라서 와이드 밴드갭(WBG) 전력 장치와 같은 새로운 에너지 효율적인 전력 변환 기술 개발에 박차가 가해지고 있습니다.

효율성이 핵심

물리적인 인프라 외에도, 데이터 센터는 데이터의 전자 처리, 저장 및 배포를 위해 네트워크로 연결된 컴퓨터 서버를 수용하는 구조물입니다. 데이터 센터의 핵심 구성 요소는 인터넷, 클라우드 컴퓨팅, 기업 인트라넷을 구동하는 데이터를 저장하는 장치인 서버입니다.

에너지 수요는 생성, 처리, 저장되는 디지털 데이터의 양이 늘어남에 따라 점점 증가하고 있습니다. 데이터 센터에는 랙, 데이터 스토리지, 네트워크 장치에의 전력 공급 이외에도 데이터 처리 및 전력 변환 과정에서 발생하는 열을 제거하기 위한 보조 냉각 및 환기 장비도 필요합니다.

데이터 센터에서 사용되는 전력 변환 시스템의 통상적인 구조는 여러 개의 AC/DC, DC/AC 및 DC/DC 전압 변환기로 구성되며, 이에 따라 전체 데이터 센터의 효율성이 절대적으로 좌우됩니다. 데이터 처리 및 저장 장치에 전력을 공급하는 컨버터에서 전력 손실을 낮추는 것에는 두 가지 주요 이점이 있습니다. 첫째는 열로 변환되지 않는 에너지를 공급할 필요가 없고, 둘째는 폐열 처리에 필요한 에너지가 감소합니다.

데이터 센터의 효율성은 보통 전력 사용 효율성(PUE) 미터법으로 측정됩니다. The Green Grid에서 데이터 센터 에너지 사용량을 비교하기 위한 표준 방법으로 개발한 PUE는, 정보 기술(IT) 장비의 에너지 사용량에 대한 전체 데이터 센터 에너지 사용량의 비율로 정의됩니다.

PUE 측정값은 개선이 필요한 영역을 충분히 식별할 수 있는 기본적인 통계 수치입니다. 완벽한 계량 지표는 아니지만 업계 표준으로 자리 잡았습니다. PUE 수치는 이상적으로는 1에 가까워야 하며, 이는 데이터 센터가 IT 전력 수요를 지원하는 데 필요한 전력만 요구한다는 의미입니다. 하지만 미국 국립재생에너지연구소(NREL)2의 자료에 따르면 평균 PUE 수치는 약 1.8입니다. 데이터 센터의 PUE 값은 매우 다양하지만, 효율성에 중점을 둔 데이터 센터의 경우 1.2 이하의 PUE 값을 달성하는 경우가 많습니다.

높은 PUE에는 다음과 같은 다양한 원인이 있을 수 있습니다.

• '좀비'(또는 '혼수 상태') 서버 및 무정전 전원 공급 장치(UPS): 장비가 켜져 있지만 완전히 활용되지 않는 상태를 의미합니다. 눈에 보이지 않거나 외부와의 소통 없이 전기를 소비하는, 의도치 않게 유휴 상태인 장치로 구성됩니다.
• 비효율적인 백업 및 냉각 전략
• 데이터 센터의 효율성보다 안정성에 더 중점을 둠

PUE를 낮추는 일반적인 두 가지 방법은 냉각 팬에 가변 주파수 드라이브(VFD)를 추가하고 서버 및 무정전 전원 공급 장치(UPS) 수를 최소화하는 것입니다. 지난 몇 년 동안 레거시 12V 아키텍처로부터 보다 효율적인 48V 솔루션(그림 1 참조)으로 전환되면서 전력 손실(I2R 손실)이 상당히 감소하여, 점점 더 많은 전력을 요구하는 프로세싱 시스템에 보다 효율적인 솔루션을 제공할 수 있게 되었습니다. 전력 아키텍처에서 48V의 사용은 I2R 손실을 16배 감소시킵니다. 1%의 효율성 향상으로 전체 데이터 센터 수준에서 킬로와트 단위의 에너지를 절약할 수 있다는 점을 고려하면, 이는 점점 더 까다로워지는 에너지 효율성 요구 사항을 충족하는 데 도움이 됩니다.

그림 1: WBG 반도체는 실리콘보다 우수한 성능을 제공합니다. (이미지 출처: Researchgate)

데이터 센터에서 WBG 반도체의 이점

실리콘(Si) 기술이 가장 널리 알려진 방식이지만, 이는 질화갈륨(GaN) 및 실리콘 카바이드(SiC)와 같은 와이드 밴드갭(WBG) 소재보다 밴드갭이 작아 작동 온도가 낮아지고, 낮은 전압으로 사용 시 제한이 있으며, 열 전도성이 떨어집니다.

따라서 실리콘 대신 WBG 반도체와 같이 더 효율적인 전력 장치를 채택하는 것이 보다 효과적인 대안이 될 수 있습니다. GaN 및 SiC와 같은 WBG 반도체는 실리콘 기술의 한계를 극복하여 높은 항복 전압, 높은 스위칭 주파수, 낮은 전도 및 스위칭 손실, 더 나은 열 방출, 더 작은 폼 팩터를 제공합니다(그림 1 참조). 그 결과 전원 공급 장치 및 전력 변환 단계의 효율성이 높아집니다. 앞서 언급했듯이, 데이터 센터에서는 효율성이 단 1%만 높아져도 상당한 에너지 절감 효과를 얻을 수 있습니다.

GaN

GaN은 실리콘(1.1eV)보다 전자 밴드갭이 3배(3.4eV) 더 크기 때문에 새롭게 떠오르는 와이드 밴드갭 소재입니다. 또한 GaN은 실리콘에 비교해 전극 이동성이 두 배 더 빠릅니다. GaN은 매우 높은 스위칭 주파수에서 독보적인 효율을 보이는 것으로 잘 알려져 있으며, 이는 엄청난 전극 이동성 덕분에 가능합니다.

이러한 속성 덕분에 GaN 기반 전력 장치는 더 작은 다이 크기에서 더 강한 전기장을 견딜 수 있습니다. 더 작은 트랜지스터와 더 짧은 전류 경로로 인해 저항과 정전 용량이 매우 낮아져, 스위칭 속도가 최대 100배 더 빨라집니다.

또한 저항과 정전 용량이 감소하면 전력 변환 효율이 높아져 데이터 센터의 워크로드에 더 많은 전력을 공급할 수 있습니다. 더 많은 열을 발생시켜 데이터 센터에서 더 많은 냉각을 필요로 하게 되는 일이 없고, 와트당 더 많은 데이터 센터 작업을 수행할 수 있습니다. 또한 고속 주파수 스위칭은 각 스위칭 주기가 훨씬 더 적은 에너지를 저장하기 때문에 에너지를 저장하는 수동 소자 부품의 크기와 무게를 줄여줍니다. GaN의 또 다른 장점은 다양한 전력 컨버터와 전원 공급 장치 토폴로지를 지원할 수 있다는 점입니다.

데이터 센터 응용 분야와 관련된 GaN의 주요 특징은 다음과 같습니다.

• 하드 및 소프트 스위칭 토폴로지 지원
• 빠른 켜기 및 끄기(GaN 스위칭 파형은 이상적인 방형파와 거의 동일)
• 제로 역회복 충전
• Si 기술과의 비교:
  • 10배 더 높은 항복 전계
  • 2배 더 높은 이동성
  • 10배 낮은 출력 전하
  • 10배 낮은 게이트 전하 및 선형 Coss 특성

이러한 특징을 통해 GaN 전력 장치는 다음과 같은 솔루션을 지원합니다.

• 높은 효율성, 출력 밀도 및 스위칭 주파수
• 폼 팩터 및 온스테이트 저항 감소
• 경량
• 무손실에 가까운 스위칭 작동

GaN 전력 장치의 통상적인 적용 예는 그림 2에서 볼 수 있습니다. 이러한 고전압 브리지리스 토템폴 PFC 스테이지와 고전압 공진 LLC 스테이지는 서버 SMPS의 엄격한 요구 사항을 충족하여, 넓은 부하 범위와 높은 전력 밀도에서 99% 이상의 일정한 효율을 달성할 수 있습니다.

그림 2: 데이터 센터 서버용 고효율 GaN 스위치 모드 전원 공급 장치(SMPS)(출처: Infineon)

SiC

역사적으로, 데이터 센터에서 SiC 전력 장치의 첫 응용 분야 중 하나는 UPS 장비였습니다. UPS는 데이터 센터에서 주전원 전압 장애 또는 작동 중단으로 인해 일어날 수 있는 잠재적인 재난을 방지하기 위해 필수적입니다. 전원 공급 장치 이중화는 데이터 센터의 운영 연속성과 신뢰성을 보장하는 데 매우 중요합니다. 데이터 센터의 전력 소비 효율(PUE)을 최적화하는 것은 모든 기업가와 생산 관리의 최우선 과제입니다.

데이터 센터에는 안정적이고 지속적인 전원이 필요합니다. 이러한 요구 사항을 충족하기 위해 전압 및 주파수 독립형(VFI) UPS 시스템이 흔히 사용됩니다. VFI UPS 장치는 AC/DC 컨버터(정류기), DC/AC 컨버터(인버터) 및 DC 링크로 구성됩니다. 유지보수 시 주로 사용되는 바이패스 스위치는 UPS 출력을 입력의 AC 전원에 직접 연결합니다. 주전원이 고장난 경우, 보통 다수의 셀로 구성된 배터리가 벅 또는 부스트 컨버터에 연결되어 전원 공급 장치에 전원을 공급합니다.

입력의 교류 전압이 직류 전압으로 변환된 다음 다시 정확한 사인파 출력 전압으로 변환되기 때문에 이러한 장치는 통상적으로 이중 변환 회로입니다. 그 결과 공급 전압 변동이 제거되어 UPS가 안정적이고 깨끗한 신호를 부하에 제공할 수 있습니다. 전압 변환 공정은 시스템을 전원으로부터 분리하는 것 외에도 전압 변동으로부터 부하를 보호합니다.

최근까지, 3레벨 스위칭 토폴로지를 사용하는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)가 최고의 효율을 달성했습니다. 이 접근 방식 덕분에 96%의 효율 수준을 실현했으며, 이는 이전의 변압기 기반 모델에 비교해 현저히 개선된 것입니다.

실리콘 카바이드 트랜지스터를 사용하면 이중 변환 UPS 시스템에서 전력 손실을 크게 줄이고(70% 이상) 효율성을 높일 수 있습니다. 이 놀라운 효율성(98% 이상)은 저부하 및 과부하 시나리오에서도 유지됩니다.

이러한 결과는 실리콘 카바이드의 본질적인 특성으로 인한 것입니다. SiC는 기존 실리콘 기반 소자(예: MOSFET 및 IGBT)와 비교하여 더 높은 온도, 주파수 및 전압에서 작동할 수 있습니다.

SiC 기반 UPS의 또 다른 이점은 열 손실 값(또는 열 방출)이 개선되어 더 높은 온도에서 작동할 수 있다는 점입니다. 설계자는 이 기능을 통해 더욱 콤팩트하고 경제적인 냉각 솔루션을 채택할 수 있습니다. 전반적으로 SiC 기반 UPS는 실리콘 기반 부품을 사용하는 동급 모델보다 더 효율적이고, 가벼우며, 크기가 작습니다.

SiC 기반 반도체는 고유한 특성으로 인해 기존 Si 반도체보다 더 높은 온도에서 작동할 수 있습니다. UPS는 열 손실이 적고 고온에서 작동할 수 있으므로, 고객의 냉각 비용이 절감됩니다.

데이터 센터에서 사용 가능한 작업장 공간을 최대화하며, SiC 기반 UPS는 기존 실리콘 기반 UPS에 비교해 무게와 크기를 줄일 수 있습니다. 또한 SiC 기반 UPS는 작업장 공간을 적게 차지하므로 주어진 공간에서 사용 가능한 전력 용량을 늘릴 수 있습니다.

결론

요약하면, GaN 및 SiC와 같은 WBG 재료는 데이터 센터와 같은 까다로운 응용 분야에서 전력 전자 장치의 새로운 궤적을 구축할 신흥 반도체입니다. WBG 재료의 이점으로는 시스템 효율성 향상, 냉각 시스템 요구 사항 감소, 더 높은 온도에서의 작동, 더 높은 출력 밀도 등이 있습니다. GaN 및 SiC 전력 장치를 전압 컨버터와 전원 공급 장치에 통합함으로써, 더 높은 효율성을 달성하고 작업장 공간을 최대화하며 시설 전반의 운영 비용을 절감하려는 데이터 센터 운영자의 목표가 실현되어 가고 있습니다.