Überblick

Die steigenden Leistungsanforderungen von KI-getriebenen Rechenzentren erfordern ein grundlegendes Umdenken bei den Stromversorgungsarchitekturen. Eine aktuelle technische Analyse hebt die Integration von Hochstrom-Siliziumkarbid (SiC)-Leistungsmodulen in Multi-Megawatt-Architekturen für Festkörpertransformatoren (SST) hervor. Dieses fortschrittliche Design ermöglicht die direkte Umwandlung von 34,5-kV-Mittelspannungsnetzen in 800-V- und zukünftige 1500-V-Gleichstrominfrastrukturen und adressiert den kritischen Bedarf an hoher Effizienz und Leistungsdichte in modernen Hyperscaler-Einrichtungen.

Marktkontext

Elektrische Energie und Netzanschluss sind zu den ultimativen Engpässen für die KI-Infrastruktur geworden. Der Strombedarf von Rechenzentren wird bis 2030 voraussichtlich mindestens auf das Doppelte ansteigen, wobei großflächige Hyperscaler als Haupttreiber fungieren. Derzeit arbeiten 72 Prozent der Rechenzentren mit einem Leistungsbedarf von mehr als 50 MW, und Blaupausen für 100-MW-Installationen sind bereits verfügbar. Vorausschauend deuten Trends darauf hin, dass zukünftige Hyperscaler Leistungen im Gigawatt-Bereich benötigen werden.

Da die KI-Infrastruktur enormen Strom verbraucht, führt jede Effizienzsteigerung direkt zu einem höheren Rechendurchsatz. Folglich ist die Performance pro Watt, spezifisch gemessen als Tokens pro Sekunde pro Megawatt, zu einem Schlüsselindex für die Bewertung des KI-Durchsatzes und die Generierung von Einnahmen geworden.

Technische Details: Der Wechsel zu SST

Die Stromversorgungsarchitektur für Serverracks wandelt sich von einem herkömmlichen 48-V-Gleichstrombus zu 800 V. Traditionelle Systeme verlassen sich auf Niederfrequenztransformatoren (LFT) und mehrstufige AC-zu-DC-Umwandlung bei Niederspannung. Im Gegensatz dazu verwendet ein SST-basierter Ansatz eine AC-zu-DC-Umwandlungsstufe mit galvanischer Trennung, um den 800-V- oder 1500-V-Gleichstrombus direkt aus dem 34,5-kV-Verteilnetz zu speisen.

Der Ersatz von LFTs durch SSTs bietet überlegene Effizienz, erhöhte Leistungsdichte und verbesserte Modularität. Modulare SST-Architekturen sind aufgrund ihrer Skalierbarkeit für Hyperscaler äußerst attraktiv. Die Stromversorgungsarchitektur nutzt mehrere in Reihe geschaltete AC/DC- und isolierte DC/DC-Umwandlungszellen an ihrem Eingang. Die Bewertung konzentriert sich auf die isolierte DC/DC-Umwandlungsstufe unter Verwendung einer Dual-Active-Bridge-Topologie. Mit einer 1800-V-Gleichstrom-Zwischenkreisspannung auf der Eingangsseite können Netzspannungen wie 34,5 kV mit 16 Zellen pro Phase erreicht werden, was die Gesamtsystemkomplexität begrenzt.

800-V-Gleichstrom-Ausgangssystem

Für den isolierten DC/DC-Wandler, der von 1800 V auf 800 V heruntersetzt, verwendet die Architektur spezifizierte SiC-MOSFET-Leistungsmodule von Mitsubishi Electric. Die Primärseite nutzt das FMF800DC-66BEW (3,3 kV/800 A) in einem LV100-Gehäuse, während die Sekundärseite das FMF600DXE-24BN (1,2 kV/600 A) in einem NX-Gehäuse mit zwei parallel geschalteten Bauteilen verwendet.

Die Betriebsbedingungen für dieses 800-V-System umfassen eine Schaltfrequenz von 10 kHz, eine Ausgangsleistung von 550 kW, ein Windungszahlverhältnis von 2,25 und eine Streuinduktivität von 25 µH. Basierend auf einer Flüssigkeitskühlung mit thermischen Widerständen vom Kühlkörper zum Wasser von etwa 16 K/kW bzw. 30 K/kW für die LV100- und NX-Gehäuse zeigen Simulationsergebnisse, dass die maximalen virtuellen Sperrschichttemperaturen 127 °C auf der Primärseite und 150 °C auf der Sekundärseite erreichen.

1500-V-Gleichstrom-Ausgangssystem

Angetrieben durch den Bedarf an höheren Leistungsdichten werden 1500-V-Gleichstrombus-Systeme evaluiert. Diese Spannungsebene entspricht der Obergrenze der europäischen Niederspannungsrichtlinie und ist weit verbreitet in PV-Wechselrichtern und Batterie-Energiespeichersystemen akzeptiert.

Für die Umwandlung von 1800 V auf 1500 V nutzt die Primärseite zwei parallel geschaltete FMF800DC-66BEW-Module. Die Sekundärseite verwendet zwei parallel geschaltete FMF1600DC-50CW-Module (2,5 kV/1600 A). Beide Geräte nutzen das LV100-Gehäuse. Die virtuelle Sperrschichttemperatur wird unter Verwendung einer Flüssigkeitskühlung geschätzt, wobei ein thermischer Widerstand vom Kühlkörper zum Wasser von etwa 16 K/kW für die LV100-Bauteile aufrechterhalten wird.

Auswirkungen und Zukunftsausblick

Die Integration von Hochleistungs-SSTs und hochstromtragfähigen, äußerst zuverlässigen SiC-Modulen bietet eine robuste Lösung für Multi-Megawatt-Hyperscaler-Anwendungen. Durch die innovative Kombination hoher Leistungsdichten mit hoher Betriebseffizienz bewahren diese Architekturen die Modularität, die erforderlich ist, um die Ausgangsleistung nahtlos zu skalieren.

  • Die direkte Mittelspannungs-Gleichstrom-Umwandlung reduziert die Umwandlungsstufen und die damit verbundenen Verluste.
  • Modulare, zellenbasierte Designs ermöglichen die Stromversorgung von Rechenzentren im Gigawatt-Maßstab.
  • Fortschrittliche SiC-Module gewährleisten einen zuverlässigen Betrieb unter extremen thermischen und elektrischen Belastungen.

Letztendlich ist die Optimierung der Stromversorgungsarchitektur nicht mehr nur eine Hardware-Herausforderung; sie ist ein direkter Enabler für die KI-Performance. Durch die Maximierung der Metrik Tokens pro Sekunde pro Megawatt werden diese SST-Architekturen der nächsten Generation die wirtschaftliche und betriebliche Machbarkeit der zukünftigen KI-Infrastruktur definieren.