Dieser Anstieg ist nicht allein auf die größere Anzahl von Rechenzentren zurückzuführen; auch deren Leistungsdichte nimmt rasant zu. Der Stromverbrauch der modernsten GPUs (Grafikprozessoren) für KI liegt bei über 1 kW, ein deutlicher Anstieg gegenüber den 500 W der vorherigen Generation. Der höhere Leistungsbedarf dieser Komponenten, gepaart mit dem Druck, die Anzahl der GPUs pro Rack zu erhöhen, treibt den Stromverbrauch eines einzelnen Racks auf bis zu ein Megawatt.

Die hohe Leistungsdichte dieser Racks wird deutlich, wenn man bedenkt, dass sie zwar die Größe eines großen Kühlschranks haben, der Stromverbrauch eines einzelnen Racks im Jahr 2027 aber voraussichtlich dem von 65 Haushalten entsprechen wird.

Dieser Energiebedarf hat die Entwicklung des Stromverteilungsnetzes und der benötigten Stromversorgungen vorangetrieben. Anstatt auf ein im Rechenzentrum installiertes Wechselstromverteilungssystem mit einem 48-V-Stromverteiler zu setzen, schlägt Nvidia nun eine Gleichstromversorgung mit 800 V für die KI-Server im Rechenzentrum vor. Dies erfordert die Entwicklung neuer, kleinerer und effizienterer Netzteile zur Reduzierung von Verlusten.

Diese Trends haben einen enormen Einfluss auf die Stromverteilung und -umwandlung in Rechenzentren. Die Notwendigkeit, Gigawatt an Leistung zu verteilen, erfordert die Reduzierung von Verlusten und die Steigerung der Effizienz von Netzteilen. Eine Steigerung der Effizienz um nur wenige Prozentpunkte, von 97 % auf 99 %, kann den Stromverbrauch deutlich senken und zu Kosteneinsparungen im Betrieb sowie zu Umweltvorteilen führen. Höhere Effizienz bedeutet zudem einen geringeren Kühlbedarf, wodurch Wasser und dielektrische Materialien eingespart werden und kleinere Netzteilsysteme möglich werden. Neue Gehäusetechnologien können außerdem die Konstruktion von Kühlsystemen vereinfachen, die Größe der Netzteile weiter reduzieren und den Einbau von mehr GPUs in einem Rack ermöglichen.

Die Galliumnitrid-Technologie (GaN) bietet die Möglichkeit, dank ihrer Fähigkeit, bei höheren Frequenzen als andere Halbleitertechnologien zu schalten, eine höhere Effizienz auf kleinerer Fläche zu erzielen.

Die Einführung dieser Technologie ist jedoch nicht so einfach wie der direkte Austausch von Siliziumbauelementen in Netzteilen. GaN erfordert eine komplexere Gate-Steuerung, die zwischen -3 V und +6 V variiert. Dies bedeutet, dass andere Gerätetreiber mit komplexeren Timing-Anforderungen benötigt werden.

ICeGaN

Durch Hinzufügen einer Gate-Schnittstelle zu einem 650-GaN-Transistor mit niedrigem Einschaltwiderstand (RDS(on)) lässt sich dessen Einsatz in der Stromversorgung von KI-Servern erheblich vereinfachen. Dadurch kann ein Standard-MOS-Treiberchip mit einer typischen Vorspannung von 12 V bis 15 V zur Ansteuerung des GaN-Transistors verwendet werden.

Die von Cambridge GaN Devices (CGD) entwickelte ICeGaN®-Technologie besteht aus einem integrierten Leistungsschaltkreis, der diese Schnittstelle auf demselben Substrat wie den HEMT-Transistor (Enhancement-Mode) integriert. Dadurch wird vermieden, dass ein separater Silizium-MOSFET in Kaskodenschaltung oder ein integrierter Siliziumschaltkreis im selben Gehäuse verwendet wird. Die Implementierung der Schnittstelle auf demselben Chip ermöglicht ein optimiertes, flaches Gehäuse mit geringer Induktivität – eine grundlegende Voraussetzung für die Reduzierung von Verlusten und die Steigerung des Wirkungsgrades des Leistungswandlers.

ICeGaN-Bauelemente verfügen über einen Hilfsgate-HEMT, der an den externen Gate-Eingang angeschlossen ist und dem Haupt-HEMT im Anreicherungsmodus eine stabile interne Gate-Vorspannung bereitstellt. Dadurch können ICeGaN-Bauelemente mit Gate-Vorspannungen zwischen ca. 9 V und 20 V betrieben werden und sind auch gegenüber höheren transienten Spannungen unempfindlich. Zudem verdoppelt sich die scheinbare Schwellenspannung (V_TH) auf ca. 3–4 V, wodurch die Störfestigkeit gegenüber Gate-Rauschen verbessert wird.

In ICeGaN-Bauelementen ist eine Miller-Klemmschaltung integriert, die einen starken Aufwärts-/Abwärtswandler bereitstellt, wenn der HEMT nicht leitet. Dadurch entfällt die Notwendigkeit, negative Gate-Spannungen anzulegen, um das Bauelement im Sperrzustand zu halten. Die Miller-Klemmschaltung erweitert zudem den sicheren Arbeitsbereich (SOA) und erhöht die Gate-Zuverlässigkeit durch die Absorption steilerer dV/dt-Anstiege. Dies ermöglicht höhere Schaltgeschwindigkeiten ohne zusätzliche negative Versorgungsspannungen. Durch die Nutzung der Gate-Widerstandsänderung während der Leitfähigkeitssteuerung können Entwickler die Schaltgeschwindigkeit des ICeGaN an die Anwendungsanforderungen anpassen und so ein optimales Verhältnis zwischen elektromagnetischen Störungen (EMI) und Schaltverlusten erzielen.

Der dynamische Stromverbrauch von GPUs bei KI-Workloads verursacht große, schnelle Lastschwankungen, die nicht in das Stromnetz zurückgespeist werden können. Um dies zu verhindern, muss jede Stufe der AC/DC-Wandlungskette transiente Lasten bewältigen und über ausreichend lokale Energiespeicher verfügen, um die entsprechenden Leistungsschwankungen auszugleichen.

Dies beinhaltet die Dimensionierung der Komponenten und die thermische Auslegung auf Basis von Spitzenlasten und nicht von Durchschnittslasten, um sicherzustellen, dass der 800V DC/DC-Wandler für kurze Zeit höhere Spannungen liefern kann, ohne übermäßig beansprucht zu werden oder einen Regelungsverlust zu erleiden.

Die Spannung am inneren Gate des Leistungs-HEMTs beginnt anzusteigen, sobald die Spannung am äußeren Gate etwa 1,5 V überschreitet. Diese zusätzliche Schwellenspannung ermöglicht es ICeGaN, im diskreten Anreicherungsmodus eine höhere Schwellenspannung von 2,9 V als herkömmliches GaN zu bieten.

Einer der Hauptvorteile von GaN-HEMT-Bauelementen ist ihr Schaltverhalten mit sehr geringer Gate-Last und ohne Strukturdiode, wodurch beim Sperren praktisch keine Verluste auftreten. Da der Miller-Blocker das Bauelement bei 0 V abschaltet, weisen ICeGaN-Bauelemente nicht die hohen Sperrverluste auf, die bei anderen GaN-Komponenten üblich sind. Noch wichtiger ist, dass die Kühlung des Bauelements durch Erdung deutlich verbessert werden kann, was kleinere Bauteile und niedrigere Betriebstemperaturen ermöglicht.

Verkapselung

Die Reduzierung des Wärmewiderstands des Gehäuses bietet mehrere Vorteile. Bei gleichem RDS(on) steht mehr Leistung zur Verfügung, und die Geräte können bei gleicher Ausgangsleistung bei niedrigeren Temperaturen betrieben werden. Dies ermöglicht kleinere und leichtere Kühlkörper und senkt somit die Systemkosten. Niedrigere Betriebstemperaturen erhöhen zudem die Zuverlässigkeit, verlängern die Lebensdauer und reduzieren die Größe der Netzteile in KI-Racks.

Das von CGD entwickelte BHDFN-9-1-Gehäuse (Bottom Heat-Spreader DFN) ist von unten gekühlt und verfügt über benetzbare Kanten zur einfachen Inspektion. Es nutzt einen dickeren Leadframe zur Wärmeableitung und bietet einen Wärmewiderstand von 0,28 K/W – ein Wert, der dem anderer Bauelemente entspricht oder diese sogar übertrifft. Mit Abmessungen von 10 x 10 mm ist das BHDFN-Gehäuse kleiner als das weit verbreitete TOLL-Gehäuse, benötigt aber eine ähnliche Grundfläche und ist daher einfach zu handhaben.

Im Gegensatz zu diskreten GaN-Bauelementen verfügt ICeGaN über einen zusätzlichen Pin zur Stromversorgung der internen Schaltung (Pin 1), während der Gate-Anschluss Pin 2 und der Kelvin-Source-Anschluss (KS-Anschluss) Pin 3 ist. Im TOLL-Gehäuse ist der Gate-Anschluss Pin 1 und der KS-Anschluss Pin 2. Dies vereinfacht die Entwicklung gängiger und kompatibler Layouts. In diesem Fall wird ein TOLL-Bauelement beiseite geschoben, um eine Verbindung zum Stromversorgungsanschluss im ICeGaN-Layout zu vermeiden. Dadurch lässt sich ein TOLL-Bauelement nahezu direkt durch ein ICeGaN-Bauelement ersetzen.

Entwurf von 800-V-Leistungswandlungssystemen mit GaN-Bauelementen

Eine gängige Topologie zur Stromversorgung von Rechenzentren besteht aus einem gestapelten Halbbrücken-Resonanzwandler in ISOP-Konfiguration (Eingang seriell, Ausgang parallel), der die Umwandlung von 800 VDC in eine Eingangsspannung mithilfe von 650-V-GaN-Bauelementen ermöglicht. Flache Transformatoren und eine fortschrittliche magnetische Integration sind unerlässlich, um die kompakten, flachen Leistungsstufen zu realisieren, die benötigt werden, wenn die Wandlermodule in der Nähe der GPU- und CPU-Platinen platziert werden müssen.

800-V-Verteilnetze nutzen bereits Schaltfrequenzen im Bereich von 500–800 kHz in Referenzdesigns für KI-Serveranwendungen. Parallel zur zunehmenden Verbreitung der GaN-Technologie wird verstärkt auf 1 MHz und darüber hinaus gedrängt, um die Leistungsdichte weiter zu erhöhen und die Größe magnetischer Bauteile zu reduzieren, vorausgesetzt, Effizienz und EMV-Werte können bei diesen höheren Frequenzen beibehalten werden.

Sicherheit

Sicherheit ist ein grundlegender Aspekt bei 800-VDC-DC/DC-Architekturen, und dies erfordert die Berücksichtigung weiterer Faktoren bei deren Konstruktion.

Bei 800 VDC ist eine verstärkte Isolierung unerlässlich. Dies erfordert im Vergleich zu Sammelschienenarchitekturen mit niedrigeren Spannungen größere Luftspalte und Kriechstrecken. ±400 VDC-Systeme nutzen eine hochohmige oder massive Erdung in der Mitte zum Schutzleiter und benötigen im Vergleich zu 800-V-Systemen mit einfacher Terminierung eine kürzere Kriechstrecke in der Isolierung.

Die Hot-Swap- und eFuse-Funktionen sind üblicherweise in die 800-VDC-Stufe auf einer verteilten Stromversorgungsplatine integriert, sodass die Isolation von Stromspitzen, Überlastungen und Fehlern so nah wie möglich an der Stromversorgung jedes Racks gesteuert wird.

800-V-DC/DC-Wandler werden häufig auch als offene LLC-Stufen mit sekundärseitiger Steuerung und begrenzter Datenerfassung auf der Primärseite realisiert. Daher ist ein Schutz auf der Primärseite erforderlich, beispielsweise zur Erkennung von Überströmen und anormalen Zuständen, um Eingangsfehler sicher zu behandeln.

Im Falle eines Fehlers muss die Konstruktion des 800VDC DC/DC-Wandlers die Stromzufuhr strikt einschließen, um zu verhindern, dass sich Rauch und Feuer auf GPU-Platinen oder andere Komponenten ausbreiten, und somit sowohl die Systemverfügbarkeit als auch die Hardwareintegrität zu schützen.

Ein Beispiel aus der Praxis

Ein Prototyp eines 3-kW-Halbbrückenmoduls (400 V bis 50 V) wurde mit CGD-P2-Bauelementen und einem Durchlasswiderstand von 25 mΩ auf der Primärseite eines Planartransformators realisiert, um die hohe Leistungsdichte und den Wirkungsgrad von HEMT ICeGaN zu demonstrieren. Das Modul erreicht einen Spitzenwirkungsgrad von 98,7 % und einen Wirkungsgrad von 97,5 % unter Volllast.

Die modulare Architektur ermöglicht die Parallelschaltung höherer Leistungsstufen, wie z. B. 6 kW oder 12 kW, in Hochleistungs-DC/DC-Anwendungen. Die Phasenabschaltung zwischen den verschachtelten Modulen optimiert den Gesamtwirkungsgrad des Systems über einen weiten Lastbereich.

Abschluss

Netzteilentwickler setzen zunehmend auf GaN-Technologie für Rechenzentrumsanwendungen. Die Erzielung optimaler Leistung kann jedoch mit herkömmlichen GaN-Bauelementen eine Herausforderung darstellen. Beispielsweise begrenzt die erforderliche negative Gate-Spannung den Betrieb bei den höheren Frequenzen, die mit kleineren, auf Leistungswandlern basierenden Designs möglich sind.

Die Integration einer intelligenten Schnittstelle auf demselben Chip wie das GaN-Leistungsbauelement bietet jedoch mehrere Vorteile für Entwickler von KI-gestützten Stromversorgungen für Rechenzentren, da sie die Kosten, die Größe und das Gewicht der Stromversorgungen in 800-V-Stromnetzen von Rechenzentren erheblich reduziert.

Autor: Di Chen, Technischer Marketingdirektor, Cambridge GaN Device https://www.camgandevices.com