Beidseitig gekühlte 650-V-Galliumnitrid-Architektur für KI-Rechenzentren

Renesas veröffentlicht den TP65H020G4PLSGBD, ein 650-Volt-Galliumnitrid (GaN)-Bauelement, das eine beidseitige Kühlung integriert, um eine hochverdichtete Leistungsumwandlung zu ermöglichen. Diese Hardware wurde speziell für 800-Volt-Hochspannungs-Gleichstrom (HVDC)-Architekturen in KI-Rechenzentren entwickelt und adressiert gravierende thermische und räumliche Einschränkungen in modernen Intermediate-Bus-Convertern und Sidecar-Power-Racks.

Thermomanagement bei der hochverdichteten Leistungsumwandlung
Da der Leistungsbedarf von Rechenzentrums-Racks von 120 Kilowatt in Richtung des Megawatt-Maßstabs steigt, sind Platzbedarf und Wärmeableitung zu primären technischen Herausforderungen geworden. Um diese Leistungsniveaus aufrechtzuerhalten, rückt das neue GaN-Bauelement von herkömmlichen, nur oberseitig gekühlten Gehäusen ab. Stattdessen nutzt es eine beidseitig gekühlte (Dual-Side-Cooled, DSC) Architektur, die Wärme sowohl von der Ober- als auch von der Unterseite der Komponente ableitet. Dieses Zwei-Wege-Thermomanagement senkt die thermische Impedanz auf der Oberseite um 10 Prozent.

Das Bauelement ist in einem 8x8-Millimeter-PQFN-Gehäuse untergebracht, was den Platzbedarf der Komponente im Vergleich zum weit verbreiteten 10x15-Millimeter-TOLT-Gehäuse um 57 Prozent reduziert. Diese Verringerung der Abmessungen ermöglicht es Hardware-Ingenieuren, höhere Leistungskapazitäten in platzbeschränkten 800-V-Intermediate-Bus-Converter (IBC)-Stufen – welche die Spannung auf 48 V, 12 V oder 6 V herabsetzen – sowie in Batterie-Backup- und Kondensatorbank-Stufen unterzubringen.

Komponentenarchitektur und Treiberintegration
Basierend auf einer D-Mode Gen IV Plus GaN-Architektur bietet der TP65H020G4PLSGBD einen Einschaltwiderstand von 20 Milliohm (mΩ). Das Halbleiterdesign zeichnet sich durch eine geringe Gate-Ladung und Ausgangskapazität sowie eine integrierte Freilaufdiode aus, die zur Minimierung der Sperrverzögerung (Reverse Recovery) entwickelt wurde. Da das GaN-Bauelement eine hohe Schwellenspannung (Threshold Voltage) nutzt, die ohne negative Gate-Vorspannung arbeitet, kann es mit Standard-Silizium-Gate-Treibern angesteuert werden. Diese Kompatibilität ermöglicht es Ingenieuren, in den Megahertz-Frequenzbereich zu wechseln, was den Bedarf an großen passiven Bauteilen minimiert und die Gesamtmaterialkosten (BOM) senkt, ohne dass spezielle E-Mode-Treiber erforderlich sind.

John Wiggenhorn, Senior Product Line Director für High-Voltage GaN bei Renesas, erläuterte die operativen Gründe für das Packaging: „Wir kühlen das Bauelement von beiden Seiten und reduzieren die Grundfläche erheblich, sodass Designer mehr Leistung durch den Intermediate-Bus leiten können, ohne die Leiterplatte neu entwerfen oder zusätzliche Kühlhardware hinzufügen zu müssen.“

Messbare Effizienz und Systemskalierbarkeit
Um die betriebliche Effizienz des Bauelements zu validieren, entwickelte Renesas ein Referenzdesign für einen LLC-Gleichspannungswandler (DC-Transformer) von 800 V auf 48 V mit 6 Kilowatt, der von einem RA6T3-Mikrocontroller gesteuert wird. Bei Modultests erreichte diese Konfiguration eine Leistungsdichte von 2,6 Kilowatt pro Kubikzoll. Darüber hinaus wurde bei Volllast eine Effizienz gemessen, die um 0,21 Prozent höher lag als bei einer vergleichbaren Platine mit herkömmlichem TOLT-Gehäuse. Die kompakte DSC-Grundfläche optimiert zudem das Leiterplattenlayout (PCB), da sie ein besser abgestimmtes Routing über die Feldeffekttransistoren hinweg ermöglicht.

Der Hersteller wird das TP65H020G4PLSGBD GaN-Bauelement und die dazugehörigen 800-V-Stromversorgungslösungen auf dem OCP Global Summit vom 12. bis 15. Oktober 2026 in San Jose, Kalifornien, ausstellen.

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

Auf dem Markt für Hochspannungs-Wide-Bandgap-Halbleiter werden 650-V-GaN-Bauelemente in erster Linie nach ihrem Einschaltwiderstand, dem Platzbedarf des Gehäuses und den Kennzahlen des Wärmewiderstands bewertet. Wettbewerber wie Infineon Technologies, Navitas Semiconductor und Texas Instruments bieten 600-V- bis 650-V-GaN-Feldeffekttransistoren an, die routinemäßig Einschaltwiderstände im Bereich von 15 bis 30 mΩ erreichen. Die übliche Branchenpraxis für das Hochleistungs-Thermomanagement stützt sich jedoch stark auf oberseitig gekühlte (Top-Side Cooled, TSC) Gehäuse wie das TOLT (10x15 mm), die die Wärme nach oben in einen dedizierten Kühlkörper ableiten, den Wärmeübergang in die Leiterplatte jedoch begrenzen.

Die Integration der beidseitigen Kühlung (DSC) in ein kleineres 8x8-mm-PQFN-Gehäuse bietet einen deutlichen Volumenvorteil. Indem die Wärme gleichzeitig nach oben in einen Kühlkörper und nach unten durch die thermischen Vias der Leiterplatte abfließen kann, erreicht das DSC-Gehäuse eine gleichwertige oder überlegene Wärmeableitung auf weniger als der Hälfte der Platinenfläche eines TOLT-Bauelements. Diese Fähigkeit zielt direkt auf die Benchmarking-Standards für Netzteile (PSUs) von KI-Servern ab, bei denen die Hersteller gezwungen sind, die Leistungsdichte zu erhöhen, um die strengen Formfaktor-Beschränkungen des Open Compute Project (OCP) einzuhalten.

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

www.renesas.com