KI-Workloads erhöhen den Strombedarf von Server-Racks über die Grenzen der 48-VDC-Verteilung. Mit Werten von mehreren MW sehen sich Rechenzentren mit herkömmlichen Architekturen hohen Stromverlusten gegenüber, die eine HVDC-Verteilung erfordern.
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Pixabay/TheDigitalArtist
Der zunehmende Einsatz
rechenintensiver KI-Anwendungen führt zu einem drastischen Anstieg der
Leistungsaufnahme moderner Server-Racks. Während konventionelle IT-Racks
bislang im Bereich mehrerer hundert Kilowatt betrieben wurden, werden für das
Ende der 2020er Jahre Leistungen von etwa 1 MW prognostiziert.
Vor diesem Hintergrund wird die
Erhöhung der Verteilungsspannung als notwendiger Schritt angesehen. Derzeit
werden insbesondere Hochspannungs-Gleichstromsysteme mit +800 VDC oder ±400 VDC
(HVDC) diskutiert. Bei
konstanter Leistung reduziert eine Spannungsanhebung den erforderlichen Strom
proportional. Für eine Versorgung mit 1 MW bei 800 VDC ergibt sich ein Strom
von lediglich rund 1,25 kA. Gegenüber einer 48-V-Versorgung sinkt der Strom
damit um mehr als eine Größenordnung, die Leitungsverluste sogar um nahezu zwei
Größenordnungen. Aus diesem Grund wird erwartet, dass sich die Einführung von HVDC in den
kommenden Jahren beschleunigen wird.
Führende
IT-Infrastrukturunternehmen, vor allem Big Tech, treiben derzeit ihre
Bemühungen zur Kommerzialisierung von 800-VDC- und ± 400-VDC-Systemen voran.
NVIDIA ist ein Paradebeispiel für ein Unternehmen, das die 800-VDC-Initiative
vorantreibt. Auf der anderen Seite ist das Open Compute Project (OCP) der
wichtigste Befürworter von ±400 VDC. Das OCP wurde 2011 von Meta Platforms
(ehemals Facebook) gegründet und ist eine gemeinnützige Gemeinschaft, die sich
der Open-Source-Entwicklung von Hardware-Designs für Rechenzentren zum Zwecke
der branchenweiten Zusammenarbeit widmet.
Umfassendes
Leistungshalbleiter-Portfolio für HVDC-Systeme
Mit der Veränderung der
Stromversorgungsmethoden wird eine weitere Optimierung der Konfigurationen von
Stromversorgungssystemen/-schaltungen unerlässlich. Ob 800 VDC oder ±400 VDC –
die Optimierung von Stromversorgungssystemen/-schaltungen ist unverzichtbar.
Bei einem Server-Rack mit einem Verbrauch von 1 MW spart eine Verbesserung der
Umwandlungseffizienz um nur 2-3 Prozentpunkte 20-30 kW Strom, was eine nicht zu
vernachlässigende Marge darstellt.
ROHM bietet ein umfassendes Sortiment, das
Leistungshalbleiter, analoge ICs wie IGBT- und GaN-HEMT-Leistungssteuerungs-ICs
sowie passive Komponenten wie Widerstände und optische Halbleiter umfasst. Dies
ermöglicht eine effiziente Optimierung von Stromversorgungsschaltungen. In der
Praxis wurden bereits Prototypen von Stromversorgungsschaltungen für 800 VDC
und ±400 VDC entwickelt, die einen hohen Wirkungsgrad und eine hohe
Miniaturisierung aufweisen.
ROHM hat außerdem eine strategische
Partnerschaft mit dem deutschen Unternehmen Infineon Technologies geschlossen.
Im Rahmen dieser Zusammenarbeit bieten sowohl ROHM als auch Infineon
SiC-Leistungs-MOSFETs in identischen, standardisierten Gehäusen an. Durch seine
führende Rolle bei der Standardisierung von Leistungshalbleitergehäusen sorgt
ROHM für eine stabilere Lieferkette. Dies ermöglicht es Anwendern, wie z. B.
Herstellern von Stromversorgungen, auf einfache Weise zuverlässige Produkte aus
einer zweiten Quelle zu beziehen.
Hohe
Effizienz und Leistungsdichte
Von ROHM vorgeschlagenes Stromversorgungssystem für 800 VDC/±400 VDC.Rohm Semiconductor
ROHM hat bereits Simulationen von
Schaltungen/Systemen durchgeführt, die für HVDC-Stromversorgungen wie 800 VDC
und ±400 VDC optimiert sind.
Das Beispiel in Bild 1 ist ein 20-kW- bis 30-kW-Netzteil
für Stromversorgungs-Racks. Es wandelt eine dreiphasige
Wechselstrom-Eingangsleistung von 230 V bis 430 V in eine
800-VDC-Ausgangsleistung um. Bei dieser Anwendung ist eine hohe
Energieumwandlungseffizienz von größter Bedeutung.
ROHM empfiehlt eine Schaltungskonfiguration,
die einen Wiener Gleichrichter mit einem isolierten dreiphasigen
LLC-Resonanzwandler kombiniert. Im Wiener Gleichrichter werden
SiC-Schottky-Barrier-Dioden der 3. Generation (SCS240KE2) als Boost-Dioden verwendet, während
SiC-Leistungs-MOSFETs der 4. Generation
(SCT4013-Serie/SCZ4008DTB) als Mittelpunktschalter dienen. Darüber hinaus enthält der isolierte dreiphasige
LLC-Resonanzwandler ebenfalls diese SiC-MOSFETs der 4. Generation (SCT4013-Serie/SCZ4008DTB). Diese optimierte
Kombination erzielt einen hervorragenden Wirkungsgrad von ca. 99 %.
Beispiel für die von ROHM vorgeschlagenen Stromversorgungseinheiten (PSUs) für 800-VDC-kompatible Stromversorgungs-Racks und Server-Racks.Rohm Semiconductor
Das Beispiel in Bild 2 ist ein Netzteil für
IT-Server-Racks. Diese Schaltung wandelt eine Eingangsspannung von 800 VDC in
eine Ausgangsspannung von 50 VDC um. Um in den begrenzten Platz eines
Server-Racks zu passen, ist eine außergewöhnlich hohe Leistungsdichte
erforderlich. ROHM bietet zwei empfohlene Schaltungskonfigurationen für diese
Anwendung an.
Die erste ist ein isolierter dreiphasiger
LLC-Resonanzwandler. Durch den Einsatz von ROHMs SiC-Leistungs-MOSFETs der 4.
Generation ( SCT4018-Serie /SCZ4006KTA/SCZ4011KTA) auf der Primärseite und Si-Leistungs-MOSFETs
(RS7N200BH) auf der Sekundärseite ist es möglich, eine
Leistungsdichte von 7,8 W/cc bei einer Schaltfrequenz von 100 kHz zu erreichen.
Der zweite Vorschlag verbessert die Leistung
noch weiter, indem der 800-VDC-Eingang in zwei Teile aufgeteilt und isolierte
dreiphasige LLC-Resonanzwandler in Reihe geschaltet werden. Durch den Einsatz
von GaN-HEMTs (GNP2025TD) auf der Primärseite und die Erhöhung der
Schaltfrequenz auf 500 kHz kann die Leistungsdichte auf 15 W/cc verdoppelt
werden. Beide Konfigurationen liefern einen Wirkungsgrad von ca. 99 %.
Zusammenfassend
zeigt sich, dass der steigende Leistungsbedarf KI-basierter Rechenzentren eine
Abkehr von der klassischen 48-V-Stromverteilung erforderlich macht.
Hochspannungs-Gleichstromsysteme stellen eine technisch konsistente Lösung dar,
um Übertragungsverluste zu reduzieren und die Skalierbarkeit zukünftiger
Infrastrukturen sicherzustellen.
