Backup a batteria ad alta tensione per data center IA

Poiché i carichi di lavoro legati all'intelligenza artificiale continuano ad aumentare il consumo energetico dei server, gli operatori dei data center stanno adottando architetture di distribuzione dell'alimentazione in corrente continua ad alta tensione per ridurre le perdite energetiche e migliorare l'efficienza a livello di rack. Infineon Technologies ha presentato un progetto di riferimento DC-DC da 24 kW per un'unità di backup a batteria (BBU) che opera direttamente tra un pacco batterie e un bus DC da 800 V, destinato ai data center IA di nuova generazione e agli ambienti di calcolo ad alte prestazioni.

Architetture DC ad alta tensione per infrastrutture IA
La rapida crescita dell'elaborazione basata sull'intelligenza artificiale sta imponendo requisiti sempre più elevati ai sistemi di alimentazione dei data center. Le tradizionali architetture di backup a batteria a bassa tensione possono diventare meno efficienti con l'aumento della potenza dei rack, spingendo gli operatori a valutare modelli di distribuzione DC a tensioni più elevate.

Il nuovo progetto di riferimento affronta questa transizione consentendo il trasferimento diretto di energia tra un sistema di batterie e un bus DC da 800 V. L'architettura è progettata per garantire continuità di alimentazione durante perturbazioni della rete elettrica, commutazioni verso generatori di emergenza e interruzioni dell'alimentazione, riducendo al minimo le perdite di conversione.

Secondo Infineon, il progetto raggiunge una densità di potenza di 450 W/in³ e un'efficienza superiore al 99%, mantenendo un ingombro fisico comparabile a quello delle attuali implementazioni BBU a bassa tensione.

Architettura di conversione della potenza in carburo di silicio
Il progetto di riferimento si basa su un'architettura di convertitore DC-DC non isolato, multifase e multilivello che combina stadi boost e buck impilati, interlacciati e accoppiati.

Anziché affidarsi a condensatori flottanti, il progetto riduce il volume dei componenti magnetici attraverso la propria topologia di conversione. Una configurazione con ramo di commutazione condiviso crea un percorso di corrente comune tra le funzioni di carica e scarica, consentendo la commutazione a tensione zero (ZVS) lungo l'intero intervallo operativo.

Questo approccio riduce le perdite di commutazione, diminuisce l'ondulazione di corrente e migliora la risposta ai transitori. Queste caratteristiche stanno diventando sempre più importanti nei data center IA, dove il consumo energetico dei server può variare rapidamente a causa dell'allocazione dinamica dei carichi di lavoro e dell'utilizzo degli acceleratori.

Progettazione integrata dell'unità di backup a batteria
Il modulo completo misura 112 mm × 88 mm × 118 mm e integra uno stadio di potenza principale da 24 kW insieme a un'alimentazione ausiliaria da 2,4 kW.

Per ridurre il numero di componenti e migliorare l'utilizzo dello spazio, i circuiti di carica e scarica condividono filtri per le interferenze elettromagnetiche (EMI), condensatori e MOSFET di protezione. Il progetto incorpora inoltre transistor JFET in carburo di silicio per le funzioni di ORing e sostituzione a caldo (hot-swap).

L'alimentatore switching ausiliario (SMPS) combina un trasformatore planare con la tecnologia CoolSET, consentendo una realizzazione compatta pur mantenendo isolamento elettrico e prestazioni di conversione elevate.

Tecnologie a semiconduttore di potenza a supporto dell'efficienza
Lo stadio di conversione DC-DC è basato sul MOSFET CoolSiC IMT65R033M2H di Infineon, un dispositivo in carburo di silicio da 650 V qualificato per il funzionamento bidirezionale buck-boost nelle applicazioni di backup a batteria ad alta tensione.

Il dispositivo è progettato per ridurre al minimo sia le perdite di conduzione sia quelle di commutazione, contribuendo a raggiungere efficienze superiori al 99%. La riduzione delle perdite si traduce direttamente in minori carichi termici a livello di rack, aiutando gli operatori dei data center a gestire in modo più efficace i requisiti di raffreddamento.

Il MOSFET incorpora una tensione di breakdown di 650 V, un robusto diodo body, una temperatura massima di giunzione di 175 °C e la tecnologia di packaging .XT. Queste caratteristiche sono progettate per migliorare le prestazioni in presenza di sovratensioni, elevati valori di dv/dt e cicli termici prolungati.

Caratteristiche uniformi della tensione di soglia del gate tra i dispositivi semplificano inoltre la progettazione di convertitori multifase e supportano architetture di alimentazione ridondanti a livello di rack.

Integrazione di sistema e gestione digitale dell'alimentazione
La distinta base completa comprende diverse tecnologie Infineon, tra cui MOSFET CoolSiC, driver di gate EiceDRIVER, sensori di corrente TLE497x, un microcontrollore della linea PSOC Performance, circuiti integrati di gestione dell'alimentazione CoolSET e un MOSFET in carburo di silicio da 1,7 kV.

Ulteriori caratteristiche del progetto includono la riduzione del rumore in modo comune e componenti magnetici completamente integrati. La struttura meccanica incorpora tre schede di potenza che forniscono simultaneamente le connessioni per i rail DC positivo, negativo e centrale, fungendo al contempo da elementi strutturali dell'assemblaggio.

Questo approccio integrato contribuisce alla compattezza complessiva del sistema e supporta l'implementazione in ambienti di data center IA ad alta densità, dove l'utilizzo efficiente dello spazio rappresenta un parametro progettuale fondamentale.

Supportare la transizione verso la distribuzione di potenza ad alta tensione
Le unità di backup a batteria stanno assumendo un ruolo sempre più importante nei moderni data center IA, poiché gli operatori migrano verso sistemi di distribuzione DC ad alta tensione. Tensioni di bus più elevate consentono di ridurre le correnti necessarie per erogare la stessa potenza, diminuendo le perdite nei conduttori e migliorando l'efficienza della distribuzione a livello di rack e di struttura.

Combinando semiconduttori di potenza in carburo di silicio, conversione DC-DC ad alta efficienza e integrazione meccanica compatta, il progetto di riferimento dimostra un approccio in grado di soddisfare i requisiti di densità, efficienza e affidabilità associati all'espansione delle infrastrutture IA.

Contesto aggiuntivo
Questa sezione riporta specifiche tecniche e confronti competitivi non inclusi nel comunicato stampa originale.

Operatori del settore come Vertiv, Schneider Electric, Eaton, Delta Electronics, Huawei Digital Power e diversi fornitori di servizi cloud hyperscale stanno sviluppando sistemi DC ad alta tensione per supportare livelli di potenza per rack che superano sempre più frequentemente i 100 kW.

L'utilizzo di semiconduttori in carburo di silicio distingue questa architettura dai progetti basati principalmente su dispositivi di potenza in silicio. Rispetto ai MOSFET tradizionali in silicio, i dispositivi in carburo di silicio supportano generalmente frequenze di commutazione più elevate, minori perdite di commutazione e migliori prestazioni termiche, consentendo componenti magnetici più compatti e una maggiore efficienza complessiva del sistema.

Con il continuo aumento della domanda energetica generata dalle implementazioni di server IA, le architetture DC ad alta tensione basate su carburo di silicio e nitruro di gallio sono destinate a svolgere un ruolo sempre più importante nell'evoluzione delle infrastrutture di alimentazione dei data center.

Edito da Aishwarya Mambet, redattrice di Induportals, con il supporto dell’IA.

www.infineon.com