Leistungswandlung für Rechenzentren & KI-Infrastruktur

Künstliche Intelligenz (KI), High-Performance Computing, Cloud-Dienste und datenintensive Anwendungen treiben den Leistungsbedarf in Rechenzentren und KI-Infrastrukturen stark nach oben. Mit steigender Rack-Leistung und Rechendichte beeinflusst jede Leistungswandlerstufe den Systemwirkungsgrad, die Wärmelast, die Leistungsdichte und die Zuverlässigkeit.

RECOM bietet AC/DC- und DC/DC-Lösungen zur Leistungswandlung für Stromversorgungsarchitekturen in Rechenzentren und KI-Infrastrukturen. Dazu gehören AC/DC-Wandlung für die 48VDC-Verteilung, DC/DC-Wandlung für Hochspannungs-Gleichstrom (HVDC) in sich entwickelnde Architekturen, Zwischenbus- und Board-Level-DC/DC-Wandlung, Point-of-Load-Stromversorgung (PoL) sowie Hilfsspannungsversorgung mit Überwachungs- und Steuerungsfunktionen, sofern erforderlich.

Moderne Rechenzentrums- und KI-Computing-Systeme nutzen das Konzept der Distributed Power Architecture, um Energie effizient von der Einspeisung zu den einzelnen elektronischen Lasten zu übertragen. Je nach System kann die Leistungswandlungskette eine bidirektionale AC/DC-Wandlung, eine AC/DC- oder DC/DC-Versorgung eines 48VDC-Rack- oder Systembusses, eine Zwischenbuswandlung und eine lokale Point-of-Load-Stromversorgung (PoL) umfassen. Höhere Verteilspannungen reduzieren bei gleicher Leistung den Strom und können dadurch ohmsche Verluste sowie den erforderlichen Leiterquerschnitt verringern.

Die 48VDC-Verteilung ist in heutigen Rechenzentrums- und Rack-Architekturen weit verbreitet, da sie dieselbe Leistung bei deutlich geringerem Strom als herkömmliche Busse mit niedrigerer Spannung übertragen kann. Eine effiziente Wandlung auf eine 48VDC-Versorgungsschiene hilft, Wandlungsverluste und Wärmeentwicklung zu begrenzen und stellt gleichzeitig eine praxisgerechte Zwischenspannung für nachgelagerte DC/DC-Stufen bereit. Geeignete Netzteile können zusätzlich Standby-Versorgungsschienen, Remote On/Off, Statussignale sowie digitale Schnittstellen für Überwachung und Steuerung bereitstellen. In vielen Rack-Systemen sind Hot-Swap-fähige, über eine Backplane angebundene Power Shelves Standard. RECOM-Lösungen sind daher primär für ausgewählte nachgelagerte, Board-Level- und Stufen der Hilfsspannungsversorgung positioniert und nicht als direkter Ersatz für das Rack-Power-Shelf selbst.

Neue 800VDC-Architekturen werden entwickelt und standardisiert, um den Verteilungsstrom, den Leiterbedarf und die Anzahl der Leistungswandlerstufen zwischen der Gebäudeinfrastruktur und hochdichten Rechensystemen zu reduzieren. Leistungswandler, die direkt an eine 800VDC-Schiene angeschlossen sind, müssen für die relevante Dauerbetriebsspannung und die Isolationsanforderungen des Systems ausgelegt sein; eine hohe spezifizierte Hochspannungs-Prüfspannung allein ist kein Nachweis für die Eignung zum Betrieb an einer 800VDC-Schiene.

Da Photovoltaikanlagen und Batterie-Energiespeichersysteme (BESS) auf DC-Basis arbeiten, kann Hochspannungs-DC/DC-Wandlung diese Quellen mit niedrigeren geräteseitigen DC-Versorgungsschienen verbinden und den Übergang von etablierten 48VDC-Architekturen zu höheren DC-Verteilspannungen in Rechenzentren unterstützen. Weitere leistungselektronische Systeme wie Wandler für Energiespeicher, Solar-Wechselrichter und Hochspannungswandler können ebenfalls eine galvanisch getrennte Hilfsspannungsversorgung für Steuerung, Überwachung und Gate-Ansteuerung benötigen.

DC/DC-Wandlerstufen verbinden in KI-Stromversorgungsarchitekturen die Hochspannungsverteilung, 48VDC-Zwischenbusse und die von der Board-Level-Elektronik benötigten Niederspannungs-Versorgungsschienen. Nach der Verteilung auf Rack- oder Systemebene setzen DC/DC-Wandler die Busspannung auf Zwischen- und lokale Versorgungsspannungen herab. Ein typisches Beispiel ist die Wandlung von einem 48VDC-Bus auf eine niedrigere Zwischenspannung, bevor nahe an der Last eine weitere Regelung erfolgt. Hoher Wirkungsgrad, Leistungsdichte, Transientenverhalten und thermische Eigenschaften sind in dieser Stufe entscheidend, da Wandlungsverluste unmittelbar die aus dem System abzuführende Wärme erhöhen.

Je nach Architektur können isolierte Wandler Spannungsbereiche galvanisch trennen, während kompakte SMD-Schaltregler und nicht-isolierte Power Modules lokale Versorgungsschienen für Controller, FPGAs, Netzwerkkomponenten, Speicher und weitere digitale Elektronik erzeugen. Diskrete Stromversorgungslösungen aus Power-ICs und abgestimmten Transformatoren bieten eine alternative Lösung für kompakte isolierte DC/DC-Wandlung für Hilfsspannungsversorgung und Board-Level-Anwendungen.

Hilfsspannungsversorgung und Standby-Stromversorgung versorgen in Rechenzentren und KI-Infrastrukturen Systemmanagement, Überwachung, Kommunikationsschnittstellen, Kühlungssteuerung und weitere Funktionen, die unabhängig von der Hauptrechenlast aktiv bleiben können. Netzteile mit digitalen Schnittstellen wie Power Management Bus (PMBus) oder Controller Area Network (CAN) unterstützen Fernüberwachung, Konfiguration und Fehlermeldungen, sofern diese Funktionen beim ausgewählten Produkt verfügbar sind. N+1-redundante Netzteile, OR-ing-Module und e-Fuses unterstützen Hochverfügbarkeitskonzepte und tragen dazu bei, die Stromversorgung bei Fehlern oder Ausfällen aufrechtzuerhalten.