NVIDIA führt den Angriff auf das 800-V-Direktstromsystem an, und Leistungschip-Hersteller sehen neue Chancen auftauchen.

Auf der globalen OCP-Summit hat NVIDIA sich auf die zukünftige Entwicklung von Gigawatt-AI-Fabriken konzentriert und eine Reihe von führenden Technologien und innovativen Ergebnissen präsentiert. Darunter ist die 800-V-Direktstrom-(VDC-)Technologie ein Highlight und treibt die Transformation der Energiearchitektur in Rechenzentren voran.

Im Vergleich zu herkömmlichen 415- oder 480-V-Wechselstrom-(VAC-)Dreiphasensystemen bietet die 800-V-DC-Architektur deutliche Vorteile. Auf physikalischer Übertragungsebene kann dasselbe Kupferkabel bei 800 V DC über 150 % mehr Leistung übertragen. Die bisher für die Stromversorgung eines einzelnen Racks erforderlichen 200 Kilogramm Kupferbusbars können erheblich reduziert werden, was für die Kunden Millionen von US-Dollar an Kosten spart.

In der praktischen Anwendung in Rechenzentren verbessert die 800-V-DC-Architektur die Skalierbarkeit des Systems, sodass Rechenzentren problemlos mit dem wachsenden Rechenleistungswunsch umgehen können. Ihre höhere Energieeffizienz verringert die Verluste bei der Stromübertragung und entspricht dem gegenwärtigen Trend hin zu grüner und energieeffizienter Technologie. Gleichzeitig wird der Materialverbrauch gesenkt, die Koststruktur optimiert und die Leistungskapazität der Rechenzentren erhöht. Tatsächlich haben die Elektromobil- und die Solarbranche ähnliche Vorteile bereits genutzt und 800-V-DC-Infrastrukturen eingeführt. Jetzt steht auch der Bereich der Rechenzentren vor dieser Transformationswelle.

Foxconn hat sich aktiv beteiligt und das 40-Megawatt-Rechenzentrum Nr. 1 in Kaohsiung, Taiwan, für 800 V DC angekündigt. Über 20 Branchenpioniere wie CoreWeave und Lambda haben sich ebenfalls für das Design von 800-V-DC-Rechenzentren engagiert. Darüber hinaus hat Vertiv eine platz-, koste- und energiesparende 800-V-DC-MGX-Referenzarchitektur vorgestellt, und HP hat die Unterstützung der entsprechenden Technologie angekündigt, um zusammen die 800-V-DC-Oekosystem zu vervollständigen.

Über 20 NVIDIA-Partner helfen dabei, Rackserver bereitzustellen, die den offenen Standards entsprechen, und unterstützen so die zukünftigen Gigawatt-AI-Fabriken.

Chip-Lieferanten: Analog Devices, Inc. (ADI), AOS, EPC (Efficient Power Conversion), Infineon, Innoscience, MPS (Monolithic Power Systems), Navitas Semiconductor, onsemi, Power Integrations, Renesas, Richtek, ROHM, STMicroelectronics und Texas Instruments

Lieferanten von Komponenten für Stromversorgungssysteme: BizLink, Delta, Flex, GE Vernova, Lead Wealth, LITEON und Megmeet

Lieferanten von Stromversorgungssystemen für Rechenzentren: ABB, Eaton, GE Vernova, Heron Power, Hitachi Energy, Mitsubishi Electric, Schneider Electric, Siemens und Vertiv.

Dabei gibt es eine beträchtliche Anzahl von Partnern aus dem chinesischen Festland und Taiwan. Insbesondere Innoscience ist der einzige Partner aus der heimischen Chipbranche. Darüber hinaus sind auch Unternehmen wie PI neu in das Ökosystem aufgenommen worden.

Innoscience – Der einzige GaN-IDM-Anbieter

Als einziger Full-Stack-Lieferant von Galliumnitrid (GaN) und führendes GaN-IDM-Unternehmen auf dem Markt ist Innoscience die einzige Firma, die die Massenproduktion von GaN in Spannungen von 1200 V bis 15 V realisiert hat und Lösungen für den gesamten Leistungskreis von 800 V bis 1 V anbieten kann. Dies macht Innoscience zum einzigen Anbieter, der in der Lage ist, vollständige GaN-Leistungslösungen für alle Umwandlungsstufen bereitzustellen und kann so problemlos auf die zukünftige Entwicklung der Architektur zur Erfüllung höherer Leistungsanforderungen reagieren.

Das offizielle Statement von Innoscience besagt, dass herkömmliche Künstliche-Intelligenz-Systeme auf Basis von 48-V-Spannung vor ernsthaften Herausforderungen stehen – geringe Effizienz und hoher Kupferverbrauch. Über 45 % des gesamten Stromverbrauchs gehen für die Kühlung verloren. Wenn zukünftige KI-Clustern (z. B. Racks mit über 500 GPUs) die alte PSU-Stromversorgungsdesign beibehalten, wird es keinen Platz für die Rechenmodule geben. Die 800-V-DC-Architektur ist die Lösung, um das System vom Kilowatt- zum Megawatt-Bereich zu bringen.

Neben dem Übergang zu 800-V-Rackstromversorgungen erfordert diese Architektur auch eine extrem hohe Leistungsdichte und Effizienz bei der Spannungsumwandlung von 800 V auf 1 V. Nur Galliumnitrid-Leistungshalbleiter (GaN) können diese strengen Anforderungen gleichzeitig erfüllen.

Um die Leistungsdichteanforderungen der 800-V-DC-Architektur zu erfüllen, muss die Schaltfrequenz der Stromversorgung auf fast 1 MHz erhöht werden, um die Größe der magnetischen Komponenten und Kondensatoren zu verringern. Die typische Schaltfrequenz herkömmlicher Rackstromversorgungen liegt bei maximal etwa 300 kHz. Eine Erhöhung auf 1 MHz kann die Größe des Magnetkerns um etwa 50 % verringern.

Die dritte Generation der GaN-Technologie von Innoscience bietet entscheidende Vorteile:

An der 800-V-Eingangsseite kann GaN von Innoscience im Vergleich zu Siliziumcarbid (SiC) in jeder Schalthälfte die Ansteuerverluste um 80 % und die Schaltverluste um 50 % reduzieren, was insgesamt zu einer Verringerung des Stromverbrauchs um 10 % führt.

An der 54-V-Ausgangsseite können bereits 16 GaN-Bauelemente von Innoscience die gleichen Durchlassverluste wie 32 Silizium-MOSFETs erreichen. Dies verdoppelt nicht nur die Leistungsdichte, sondern verringert auch die Ansteuerverluste um 90 %.

Im Vergleich zu Silizium-MOSFETs in der bestehenden Rackarchitektur kann die Verwendung von GaN-Material in der Niederspannungs-Stromversorgungsumwandlung für 800-V-DC die Schaltverluste um 70 % reduzieren und die Leistungsabgabe bei gleicher Baugröße um 40 % erhöhen, was eine deutliche Steigerung der Leistungsdichte bedeutet.

Die auf GaN basierende Niederspannungs-Leistungsstufe kann erweitert werden, um leistungsstärkere GPU-Modelle zu unterstützen. Die dynamische Reaktion wird verbessert, und die Kosten für die Kondensatoren auf der Leiterplatte werden verringert.

Power Integrations – Der einzige Anbieter von 1700-V-GaN auf dem Markt

Roland Saint-Pierre, Vizepräsident für Produktentwicklung bei Power Integrations, sagte: „Mit dem ständig wachsenden Strombedarf der Künstlichen Intelligenz kann die Verwendung einer 800-V-DC-Eingangslösung das Rackdesign vereinfachen, die Raumnutzungseffizienz verbessern und den Kupferverbrauch reduzieren. Mit dem steigenden Strombedarf der Racks halten wir die 1250-V- und 1700-V-PowiGaN-Bauelemente für die ideale Wahl für Haupt- und Hilfsstromversorgungen, da sie die Anforderungen an Effizienz, Zuverlässigkeit und Leistungsdichte in 800-V-DC-Rechenzentren erfüllen können.“

Das InnoMux2-EP-IC von Power Integrations ist eine einzigartige Lösung für die Hilfsstromversorgung von 800-V-DC-Rechenzentren. Der integrierte 1700-V-PowiGaN-Schalter im InnoMux-2-Bauelement unterstützt eine Eingangsspannung von 1000 V DC. Sein SR-ZVS-Betriebsmodus kann in einer flüssigkeitsgekühlten, ventilatorlosen 800-V-DC-Architektur für ein 12-V-System eine Effizienz von über 90,3 % erreichen.

Die meisten kommerziellen Bauelemente, die von Herstellern angeboten werden, haben eine Nennspannung von weniger als 200 V oder liegen im Bereich zwischen 600 V und 650 V. In der Spannungsregion über 650 V haben nur wenige Hersteller GaN-HEMTs mit einer Nennspannung von 900 V entwickelt. Die kommerzielle GaN-HEMT-Technologie auf Siliziumsubstrat hat Schwierigkeiten, Spannungen über 900 V zu realisieren, da dies eine sehr dicke Pufferschicht erfordert, was erhebliche verfahrenstechnische Herausforderungen mit sich bringt.

Daher sind Anwendungen, die breiterbandige Leistungshalbleiter mit einer Nennspannung von 1200 V und höher benötigen, bisher auf die Verwendung von SiC-Schaltelementen beschränkt. Im Vergleich zu SiC kann GaN jedoch höhere Schaltfrequenzen erreichen und bietet bei gleichbleibend hoher Effizienz eine praktikable Lösung, um den steigenden Anforderungen an die Leistungsdichte in Anwendungen wie KI-Rechenzentren zu entsprechen. Die GaN-HEMTs von Power Integrations, die mit der proprietären PowiGaN-Technologie hergestellt werden, haben einzigartige Vorteile und können in realen Bauelementen eine sehr hohe Nennspannung (bis zu 1700 V) erreichen, was sie zu einer attraktiven und sofort einsetzbaren Alternative zu 1200-V-SiC-Bauelementen und Bauelementen für noch höhere Spannungen macht.

Um die Vorteile von GaN in 800-V-DC-Bus-Anwendungen voll auszuschöpfen, wird normalerweise eine Halbbrückenstruktur mit zwei in Reihe geschalteten 650-V-GaN-Bauelementen verwendet, insgesamt also vier 650-V-GaN-Bauelemente. Obwohl diese Stapelungstopologie bei den hohen Frequenzen arbeiten kann, die GaN erreicht, bringt sie eine Reihe von Herausforderungen mit sich, darunter erhöhte Steuerungskomplexität, Zuverlässigkeitsrisiken aufgrund unausgeglichener Eingangsspannungen, erhöhten Platzbedarf und erhöhte Durchlassverluste, was zu einer Verringerung der Effizienz und einer Erhöhung der Kosten führt. Im Vergleich dazu kann die Verwendung eines 1250-V-PowiGaN-Schalters in dieser Anwendung die Topologie des Leistungswandlers erheblich vereinfachen und die Eigenschaften von GaN voll ausnutzen – genau diese Eigenschaften machen es zum idealen Hochfrequenz-Leistungsschalter.

Mit dem 1250-V-PowiGaN-Kaskodenschalter können Stromversorgungsdesigner sicher sein, dass ihr Design bei einer Spitzenspannung von 1000 V VDS funktioniert und gleichzeitig der 80%-igen Industrienorm für die Spannungsabsenkung entspricht. Für Anwendungen mit einer Spitzenspannung VDS von über 1000 V bis hin zu 1360 V kann die Verwendung eines 1700-V-PowiGaN-Kaskodenschalters es den Benutzern ermöglichen, ebenso effiziente Stromversorgungslösungen zu entwerfen, die jedoch bei höheren Spannungen arbeiten.

Die obige Abbildung zeigt das Schema der Kaskodenarchitektur von Power Integrations. Der 1250-V/1700-V-GaN-HEMT ist ein normalerweise leitender, verarmter Bauelement, der auf der proprietären PowiGaN-Technologie von Power Integrations basiert. Er wird in Reihe mit einem Niederspannungs-Silizium-MOSFET geschaltet, um eine Kaskodenstruktur zu bilden und so einen effektiven normalerweise sperrenden Betrieb zu ermöglichen, was für den sicheren Betrieb von Leistungselektroniksystemen von entscheidender Bedeutung ist. Verarmte GaN-Bauelemente gelten als äußerst zuverlässig, da sie keine p-Typ-GaN-Gate-Schicht benötigen. Dadurch werden Probleme wie die Drift der Schwellenspannung und die damit verbundenen Instabilitäten vermieden und die Langzeitstabilität gewährleistet.

PI hat einen Vergleich zwischen einer 800-V-DC-, 12,5-V-Ausgangs-LLC-Topologie mit fester Übersetzung unter Verwendung von 650-V-verstärkenden GaN-Bauelementen und 1250-V-PowiGaN-Bauelementen durchgeführt. Aufgrund der schnellen Schaltgeschwindigkeit der GaN-Bauelemente können beide Lösungen bei einer Eingangsspannung von 800 V DC mit einer hohen Frequenz von über 500 kHz arbeiten. Die 650-V-Stapelungstopologie bringt jedoch eine Reihe von Herausforderungen mit sich:

Ungleichmäßige Eingangsspannung: Die ungleichmäßige Eingangsspannung während des normalen Betriebs muss sorgfältig kontrolliert werden. Wenn zwischen den Halbbrücken eine Ungleichmäßigkeit auftritt, kann die Spannungsbelastung an den GaN-Bauelementen den erwarteten Wert von etwa 400 V überschreiten. Bei dieser höheren Spannungsbelastung wird die Degradation des dynamischen RDS(ON) aufgrund des Stromfangeffekts im 2DEG-Kanal des HEMT deutlicher. Diese Einschränkungen verdeutlichen die Zuverlässigkeits- und Effizienzrisiken bei der Verwendung einer 650-V-verstärkenden GaN-Stapelungstopologie in einem 800-V-DC-Eingangssystem.

Kompliziertes Ansteuerdesign: Die Stapelungstopologie erhöht auch die Designkomplexität, insbesondere bei der Gate-Ansteuerschaltung. Jede Halbbrücke erfordert einen eigenen Obertransistor-Ansteuerer und eine isolierte Hilfsspannungsversorgung, was die Systemkosten, den Platzbedarf und die Designarbeit weiter erhöht.

Niedrigere Effizienz und höhere Kosten: Bei der Verwendung von GaN-Bauelementen mit demselben RDS(ON) entstehen bei der Stapelungstopologie höhere Durchlassverluste als bei der 1250-V-PowiGaN-Einzeltransistor-Halbbrücken-Topologie. Dies bedeutet, dass das 1250-V-PowiGaN-Design Bauelemente mit einem doppelt so hohen RDS(ON)-Wert verwenden kann und dennoch die gleichen Gesamteffizienz- und Verlustmerkmale erreicht.

Darüber hinaus kann der 1250-V-PowiGaN im Vergleich zu einem 1200-V-SiC-MOS mit ähnlichem RDS(ON)