SiC-MOSFETs Effizientere Leistungswandler in KI-Rechenzentren

Heute wird alles in der Cloud gespeichert, aber wo genau befindet sich die Cloud? Die Antwort liegt in einem Rechenzentrum – und unser nie endender Bedarf an mehr Bildern, mehr Videos und mehr von allem anderen bedeutet, dass der Markt für Rechenzentren boomt.

Laut der Internationalen Energieagentur (IEA) führt das enorme Wachstum im Bereich der künstlichen Intelligenz (KI) zu einem massiv steigenden Strombedarf in Rechenzentren, der sich zwischen 2022 und 2025 mehr als verdoppeln soll. Neben höheren Kosten belastet dies die alternde Stromversorgungsinfrastruktur, die bereits jetzt an ihre Leistungsgrenzen stößt und neue Investitionen erfordert. Der steigende Stromverbrauch der Rechenzentren erhöht zudem die Nachfrage nach Leistungshalbleitern, die elektrische Energie effizient umwandeln, Kosten senken und Treibhausgasemissionen auf dem Weg zu Netto-Null reduzieren. Es gibt auch anhaltende Forderungen nach Stromversorgungssystemen mit niedrigeren Gesamtsystemkosten und einer kompakteren Größe. Die Kühlung ist ein weiteres Problem für Rechenzentren und macht heute mehr als 40 % des Stromverbrauchs vor Ort aus. Geht es um die Effizienz von Stromversorgungen, wird die verschwendete Energie einfach als Wärme abgeführt – von den Klimaanlagen des Rechenzentrums. Eine effizientere Leistungswandlung bedeutet also weniger Wärme.

Anforderungen an die AC/DC-Wandlung

Was ist nun für die Stromversorgung in Rechenzentren erforderlich und wie reagieren die Halbleiterhersteller darauf? Die Leistungsdichte in Rechenzentren nimmt zu, und die Anbieter von Netzteilen arbeiten daran, höchste Leistung in ein Standard-1U-Rack zu packen (Bild 1). Die durchschnittliche Leistungsabgabe pro Rack betrug vor etwa einem Jahrzehnt noch etwa 4 bis 5 kW. Die heutigen Hyperscale-Cloud-Unternehmen (Amazon, Microsoft oder Facebook) benötigen in der Regel eher 20 oder 30 kW pro Rack. Einige Spezialsysteme gehen sogar noch weiter und erfordern 100 kW pro Rack oder mehr. Diese hohen Leistungsdichten erfordern kompakte Netzteile, die in einen kleinen Formfaktor passen. Sie müssen auch einen hohen Wirkungsgrad aufweisen, da weniger Platz zur Ableitung der durch Leistungsverluste erzeugten Wärme zur Verfügung steht. Die Herausforderung ist jedoch nicht nur, die Gesamteffizienz zu verbessern – Netzteile müssen auch die spezifischen Anforderungen für Rechenzentren erfüllen. So sollten alle Netzteile für KI-Rechenzentren die strenge Open-Rack-V3-/ORV3-Basisspezifikation erfüllen.

Vor kurzem haben Anbieter von Server-Racks ein neues AC/DC-Netzteil auf den Markt gebracht, das mit einem Nenneingangsbereich von 200 bis 277 VAC und einer Ausgangsspannung von 50 VDC arbeitet. Es erfüllt den ORV3-Standard, der einen Spitzenwirkungsgrad von über 97,5 % bei einer Last von 30 bis 100 % und einen Mindestwirkungsgrad von 94 % bei einer Last von 10 bis 30 % vorschreibt.

Topologien für Server-Rack-Netzteile

Als wichtiger Teil der AC/DC-Wandlung in Netzteilen ist ein hoher Wirkungsgrad der Leistungsfaktorkorrekturstufe (PFC) unerlässlich. Diese formt den Eingangsstrom, um das Verhältnis von Nutz- zu Gesamteingangsleistung zu maximieren. Zudem ist das PFC-Design entscheidend, um Vorgaben zur elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) gemäß IEC 61000-3-2 sowie Energieeffizienzstandards wie Energy Star einzuhalten.

Der beste Ansatz für die PFC-Stufe in vielen Anwendungen, insbesondere in Rechenzentren, ist die Totem-Pole-PFC-Topologie. Diese wird für den PFC-Block in der Stromversorgung für 3- bis 8kW-Systeme in Rechenzentren verwendet (Bild 2). Die Topologie basiert auf MOSFETs und verbessert die Effizienz und Leistungsdichte von AC-Versorgungen, indem sie den sperrigen und verlustbehafteten Brückengleichrichter entfernen. Um jedoch einen Wirkungsgrad von 97,5 % oder besser zu erreichen, wie er von den Herstellern der Hyperscale-Rechenzentren vorgeschrieben wird, benötigt eine Totem-Pole-PFC MOSFETs, die ein Halbleitermaterial mit großem Bandabstand (WBG; Wide Band-Gap) wie Siliziumkarbid (SiC) verwenden.

Heute werden in allen PFC-Stufen SiC-MOSFETs für den schnell schaltenden Zweig verwendet, während siliziumbasierte Sperrschicht-MOSFETs für den Phasen- oder langsamen Zweig verwendet werden. SiC-MOSFETs weisen im Vergleich zu Si-MOSFETs eine bessere Leistungsfähigkeit und einen höheren Wirkungsgrad auf. Sie bieten außerdem eine überlegene Leistung bei hohen Temperaturen, sind robuster und können mit höheren Schaltfrequenzen betrieben werden.

Im Vergleich zu einem Si-basierten Super-Junction-MOSFET hat ein SiC-MOSFET einen niedrigeren Wert für die in seiner Ausgangskapazität gespeicherten Energie (EOSS). Bei geringer Last ist dies entscheidend, da der größte Schaltverlust in PFC-Stufen durch Bausteine mit relativ hoher EOSS und Gate-Ladung verursacht wird. Eine niedrigere EOSS minimiert Energieverluste beim Schalten und ermöglicht so eine höhere Effizienz im Totem-Pole-PFC-Schnellzweig. Darüber hinaus weist ein SiC-MOSFET im Vergleich zu einem Si-basierten Super-Junction-MOSFET einen besseren (positiven) Temperaturkoeffizienten von RDS(ON) auf. Der Grund: die überlegene Wärmeleitfähigkeit, die dreimal besser ist als bei Si-basierten Bausteinen. Bild 3 veranschaulicht die Beziehung zwischen Durchlasswiderstand und Sperrschichttemperatur für einen 650V-SiC-MOSFET. Der R_DS(ON) bei einer Sperrschichttemperatur von 175 °C ist 1,5-mal höher als bei Raumtemperatur. Bild 4 zeigt die Beziehung zwischen Durchlasswiderstand und Sperrschichttemperatur für einen 650V-Sperrschicht-MOSFET. Der R_DS(ON) bei einer Sperrschichttemperatur von 175 °C ist mehr als 2,5-mal höher als bei Raumtemperatur.

Vergleicht man Bausteine mit ähnlichem R_DS(ON) – einen Si-basierten 650V-Sperrschicht-MOSFET und einem 650V-SiC-MOSFET – steigt der R_DS(ON) eines 650V-Sperrschicht-MOSFET auf etwa 50 mΩ bei einer Sperrschichttemperatur (Tj) von 175 °C, während der R_DS(ON) eines 650V-SiC-MOSFET bei gleicher Tj bei etwa 30 mΩ liegt. Bei hohen Betriebstemperaturen weist ein 650V-SiC-MOSFET geringere Leitungsverluste auf. Im langsamen Zweig einer Totem-Pole-PFC sowie in einem LLC-Block dominieren die Leitungsverluste den Gesamtleistungsverlust. Der niedrigere R_DS(ON) von SiC-MOSFETs verbessert bei höheren Sperrschichttemperaturen die Systemeffizienz.

SiC-MOSFETs zeichnen sich in Totem-Pole-PFC-Topologien durch ihren minimalen R_DS(ON)-Anstieg bei hohen Temperaturen und bessere EOSS-Werte aus, was die Effizienz verbessert und Energieverluste verringert.

SiC für höhere Leistungsfähigkeit

Die 650V-SiC-MOSFETs der M3S-Serie bieten eine verbesserte Schaltleistung und erhöhen die Systemeffizienz in PFC- und LLC-Stufen. Verglichen mit früheren Generationen weist die Technologie eine um 50 % geringere Gate-Ladung, 44 % niedrigere E_OSS-Werte sowie 44 % weniger gespeicherte Ladung auf. Dadurch lässt sich die Systemeffizienz in Anwendungen wie der Leistungsfaktorkorrektur (PFC) und der LLC-Resonanzstufe steigern.

Zudem verfügen diese MOSFETs über eine sehr niedrige Gate-Ladung (Q_g), was die Verluste im Gate-Treiber verringert. Eine geringe transiente Ausgangskapazität (C_OSS(TR)) reduziert die Zirkulationsverluste im Resonanzkreis, ermöglicht kürzere Totzeiten und minimiert Primärverluste. Insgesamt reduziert dies sowohl Gate-Treiber- als auch Primärleitungsverluste und macht diese Technologie für energieeffiziente Designs in Rechenzentren attraktiv.

Fazit

In diesem Beitrag haben wir aufgezeigt, wie der ständig steigende Strombedarf von Hyperscale-Rechenzentren neue, strenge Anforderungen an eine effiziente Stromwandlung stellt.

Die Effizienz der PFC- und LLC-Stufe lässt sich mit 650V-SiC-MOSFETs der M3S-Serie erheblich verbessern. MOSFETs mit geringer Gate-Ladung, niedrigen E_OSS-Werten sowie einer reduzierten gespeicherte Ladung (Q_OSS) steigern die Effizienz in hart schaltenden Topologien, wie sie in PFC- und LLC-Stufen zum Einsatz kommen. Dies führt insgesamt zu einem niedrigeren Stromverbrauch und reduzierten Betriebskosten, was die Technologie besonders für energieeffiziente Anwendungen in Rechenzentren geeignet macht.  (mr)

* Wonhwa Lee ist Product Line Manager bei onsemi

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