Hochvolt-Batteriepufferung für KI-Rechenzentren

Da Anwendungen der künstlichen Intelligenz den Energiebedarf von Servern kontinuierlich erhöhen, setzen Betreiber von Rechenzentren verstärkt auf Hochvolt-Gleichstromarchitekturen, um Energieverluste zu reduzieren und die Effizienz auf Rack-Ebene zu steigern. Infineon Technologies hat ein 24-kW-Referenzdesign für eine Battery Backup Unit (BBU) mit DC-DC-Wandlung vorgestellt, das direkt zwischen einem Batteriestrang und einem 800-V-Gleichstrombus arbeitet und auf KI-Rechenzentren der nächsten Generation sowie Hochleistungsrechenumgebungen ausgerichtet ist.

Hochvolt-Gleichstromarchitekturen für KI-Infrastrukturen
Das rasante Wachstum von KI-Anwendungen stellt immer höhere Anforderungen an die Energieversorgungssysteme in Rechenzentren. Herkömmliche Niedervolt-Batteriepufferungen können mit steigenden Rack-Leistungsanforderungen an Effizienz verlieren, weshalb Betreiber zunehmend Hochvolt-Gleichstromverteilungskonzepte evaluieren.

Das neue Referenzdesign adressiert diesen Wandel, indem es eine direkte Energieübertragung zwischen Batteriesystem und 800-V-Gleichstrombus ermöglicht. Die Architektur wurde entwickelt, um bei Netzstörungen, Generatorumschaltungen und Stromausfällen eine kontinuierliche Energieversorgung sicherzustellen und gleichzeitig Umwandlungsverluste zu minimieren.

Laut Infineon erreicht das Design eine Leistungsdichte von 450 W/in³ sowie einen Wirkungsgrad von über 99 Prozent und behält dabei eine vergleichbare Baugröße wie bestehende Niedervolt-BBU-Lösungen bei.

Siliziumkarbidbasierte Leistungselektronik-Architektur
Das Referenzdesign basiert auf einer mehrstufigen, mehrphasigen und nicht isolierten DC-DC-Wandlerarchitektur, die gestapelte, verschachtelte und gekoppelte Boost- und Buck-Stufen kombiniert.

Anstatt auf Flying Capacitors zu setzen, reduziert das Design das Volumen magnetischer Komponenten durch seine Wandlerarchitektur. Eine gemeinsame Schaltstufenkonfiguration erzeugt einen gemeinsamen Strompfad für Lade- und Entladevorgänge und ermöglicht Zero-Voltage Switching (ZVS) über den gesamten Betriebsbereich.

Dieser Ansatz reduziert Schaltverluste, verringert Stromwelligkeit und unterstützt schnelle Lastwechselreaktionen. Diese Eigenschaften gewinnen in KI-Rechenzentren zunehmend an Bedeutung, da die Leistungsaufnahme von Servern aufgrund dynamischer Workload-Zuweisung und Accelerator-Nutzung stark schwanken kann.

Integriertes Design der Battery Backup Unit
Das vollständige Modul misst 112 mm × 88 mm × 118 mm und integriert eine 24-kW-Hauptleistungsstufe sowie eine 2,4-kW-Hilfsstromversorgung.

Zur Reduzierung der Bauteilanzahl und Verbesserung der Raumnutzung teilen sich Lade- und Entladeschaltungen EMI-Filter, Kondensatoren und Schutz-MOSFETs. Das Design integriert zudem Siliziumkarbid-Junction-Gate-Field-Effect-Transistoren (JFETs) für ORing- und Hot-Swap-Funktionen.

Die Hilfsstromversorgung in Form eines Schaltnetzteils (SMPS) kombiniert einen Planartransformator mit der CoolSET-Technologie und ermöglicht dadurch eine kompakte Umsetzung bei gleichzeitig hoher elektrischer Isolation und Leistungsfähigkeit.

Leistungshalbleitertechnologien zur Effizienzsteigerung
Die DC-DC-Wandlungsstufe basiert auf dem CoolSiC-MOSFET IMT65R033M2H von Infineon, einem 650-V-Siliziumkarbid-Bauelement, das für bidirektionale Buck-Boost-Anwendungen in Hochvolt-Batteriepufferungen qualifiziert ist.

Das Bauelement wurde entwickelt, um Leitungs- und Schaltverluste zu minimieren und dadurch Wirkungsgrade von über 99 Prozent zu ermöglichen. Geringere Verluste reduzieren direkt die thermische Belastung auf Rack-Ebene und unterstützen Rechenzentrumsbetreiber bei der Optimierung ihrer Kühlsysteme.

Der MOSFET verfügt über eine Durchbruchspannung von 650 V, eine robuste Body-Diode, eine maximale Sperrschichttemperatur von 175 °C sowie die .XT-Gehäusetechnologie. Diese Eigenschaften verbessern die Widerstandsfähigkeit gegenüber Spannungsspitzen, hohen dv/dt-Schaltvorgängen und langfristigen thermischen Belastungszyklen.

Konsistente Gate-Schwellspannungen über mehrere Bauelemente hinweg vereinfachen zudem die Auslegung mehrphasiger Wandler und unterstützen redundante Stromversorgungsarchitekturen auf Rack-Ebene.

Systemintegration und digitales Energiemanagement
Die vollständige Stückliste umfasst verschiedene Infineon-Technologien, darunter CoolSiC-MOSFETs, EiceDRIVER-Gate-Treiber, TLE497x-Stromsensoren, einen Mikrocontroller der PSOC-Performance-Serie, CoolSET-Power-Management-ICs sowie einen 1,7-kV-Siliziumkarbid-MOSFET.

Zu den weiteren Designmerkmalen gehören reduzierte Gleichtaktstörungen und vollständig integrierte Magnetkomponenten. Die mechanische Struktur verwendet drei Leistungskarten, die gleichzeitig die Anschlüsse für positive, negative und mittlere Gleichstromschienen bereitstellen und als tragende Elemente der Baugruppe dienen.

Dieser integrierte Ansatz trägt zur Kompaktheit des Gesamtsystems bei und unterstützt den Einsatz in hochdichten KI-Rechenzentrumsumgebungen, in denen die optimale Nutzung des verfügbaren Bauraums entscheidend ist.

Unterstützung des Übergangs zu Hochvolt-Energieverteilung
Battery Backup Units gewinnen in modernen KI-Rechenzentren zunehmend an Bedeutung, da Betreiber auf Hochvolt-Gleichstromverteilung umstellen. Höhere Busspannungen ermöglichen bei gleicher Leistung niedrigere Stromstärken, wodurch Leitungsverluste reduziert und die Verteilungseffizienz auf Rack- und Anlagenebene verbessert werden können.

Durch die Kombination von Siliziumkarbid-Leistungshalbleitern, hocheffizienter DC-DC-Wandlung und kompakter mechanischer Integration zeigt das Referenzdesign einen Ansatz zur Erfüllung der Anforderungen an Leistungsdichte, Effizienz und Zuverlässigkeit im Zuge des Ausbaus von KI-Infrastrukturen.

Zusätzlicher Kontext
Dieser Abschnitt enthält technische Spezifikationen und Wettbewerbsvergleiche, die in der ursprünglichen Pressemitteilung nicht enthalten waren.

Unternehmen wie Vertiv, Schneider Electric, Eaton, Delta Electronics, Huawei Digital Power sowie verschiedene Hyperscale-Cloud-Anbieter entwickeln Hochvolt-Gleichstromsysteme, um Rack-Leistungsniveaus von zunehmend über 100 kW zu unterstützen.

Der Einsatz von Siliziumkarbid-Halbleitern unterscheidet diese Architektur von Lösungen, die hauptsächlich auf Silizium-Leistungshalbleitern basieren. Im Vergleich zu konventionellen Silizium-MOSFETs ermöglichen Siliziumkarbid-Bauelemente in der Regel höhere Schaltfrequenzen, geringere Schaltverluste und bessere thermische Eigenschaften. Dadurch können kompaktere Magnetkomponenten und höhere Gesamtsystemwirkungsgrade erreicht werden.

Da KI-Serverinstallationen den Energiebedarf weiter erhöhen, werden Hochvolt-Gleichstromarchitekturen auf Basis von Siliziumkarbid- und Galliumnitrid-Technologien voraussichtlich eine zunehmend wichtige Rolle bei der Weiterentwicklung der Energieversorgung von Rechenzentren spielen.

Bearbeitet von Aishwarya Mambet, Induportals-Redakteurin, mit Unterstützung von KI.

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