800-V-Stromversorgung für KI-Rechenzentren Gate-Schnittstelle für einfacheren GaN-Einsatz

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KI-Server treiben die Leistungsdichte in Rechenzentren nach oben. GaN-Leistungshalbleiter ermöglichen effizientere und kompaktere Stromversorgungen für künftige 800-V-Architekturen. Eine integrierte Gate-Schnittstelle soll dabei die Ansteuerung vereinfachen.

Der zunehmende Einsatz von KI führte dazu, dass der Strombedarf KI-orientierter Rechenzentren im Jahr 2025 um 50 % stieg, während der weltweite Gesamtstrombedarf nur um 3 % zunahm. Dieser Anstieg wird sich fortsetzen und im Jahr 2030 in diesen Rechenzentren einen Verbrauch von 950 TWh erreichen (IEA, 2026).

Nicht nur die steigende Zahl solcher Rechenzentren trägt zu diesem Anstieg bei: Auch die Leistungsdichte innerhalb dieser Einrichtungen nimmt rapide zu. Die neuesten Grafikprozessoren (GPUs), die für KI eingesetzt werden, weisen eine Leistungsaufnahme von mehr als 1 kW auf – ein deutlicher Anstieg im Vergleich zu den 500 W der Vorgängergeneration. Der gestiegene Strombedarf der Komponenten, gepaart mit dem Bestreben, die Anzahl der GPUs pro Rack zu erhöhen, treibt den Stromverbrauch eines Racks in den MW-Bereich.

Die Leistungsdichte dieser Racks wird deutlich, wenn man bedenkt, dass sie zwar die Größe eines großen Kühlschranks haben, ein einzelnes Rack bis 2027 jedoch voraussichtlich so viel Strom verbrauchen wird wie 65 Haushalte zusammen (IEA, 2026).

Dieser hohe Energiebedarf verändert das Stromverteilungsnetz und die erforderlichen Stromversorgungen. Anstatt die AC-Verteilung in einem Rechenzentrum über einen 48-V-Bus zu nutzen, schlägt Nvidia nun vor, DC mit 800 V an KI-Server im gesamten Rechenzentrum zu verteilen. Dies erfordert neue Konzepte für die Stromversorgung, die kleiner und effizienter sind, um Verluste zu reduzieren.

Diese Trends haben Auswirkungen auf die Stromverteilung und -wandlung innerhalb des Rechenzentrums. Aufgrund der zu verteilenden Leistung im Gigawattbereich, ist es entscheidend, Verluste zu reduzieren und die Effizienz der Stromversorgungen zu steigern. Ein um ein paar Prozentpunkte höherer Wirkungsgrad (von 97 auf 99 %) spart große Mengen an Strom und Betriebskosten ein und bietet ökologische Vorteile. Mehr Effizienz bedeutet auch, dass weniger Kühlung erforderlich ist, was Kosten für Kühlwasser oder Kältemittel einspart und kleinere Stromversorgungssysteme ermöglicht. Auch neue Gehäusetechnik kann dazu beitragen, das Design eines Kühlsystems zu vereinfachen, wodurch die Stromversorgung kleiner wird und mehr GPUs in ein Rack passen.

Galliumnitrid (GaN) bietet die Möglichkeit, einen höheren Wirkungsgrad bei geringerem Platzbedarf zu erzielen, da im Vergleich zu anderen Halbleitertechnologien mit höheren Frequenzen geschaltet wird.

Die Einführung dieser Technologie ist jedoch nicht so einfach wie der direkte Austausch von Silizium-/Si-Bauelementen in Stromversorgungen. GaN erfordert einen komplexeren Gate-Treiber, dessen Spannung zwischen -3 und +6 V variiert. Damit sind andere Treiberbausteine erforderlich, die zudem komplexere Timing-Anforderungen stellen.

ICeGaN

Die Integration einer Gate-Schnittstelle in einem 650-V-GaN-Transistor mit niedrigem Durchlasswiderstand (R_DS(on)) vereinfacht den Einsatz des Bauteils beim KI-Server-Stromversorgungsdesign. Ein Standard-MOS-Treiber mit einer Vorspannung von 12 bis 15 V reicht dann zum Ansteuern des GaN-Bauelements aus.

Die von Cambridge GaN Devices (CGD) entwickelte ICeGaN-Technologie führt zu einem Leistungselektronik-IC, der eine solche Schnittstelle auf demselben Substrat wie den selbstsperrenden Enhancement/e-Mode-HEMT-Transistor implementiert. Dies steht im Gegensatz zu Lösungen, die einen separaten Si-MOSFET in einer Kaskadenschaltung oder einen gemeinsam verpackten Si-IC verwenden. Die Integration der Schnittstelle auf demselben Chip ermöglicht ein optimiertes, flaches Gehäuse mit geringer Induktivität, was Verluste minimiert und den Wirkungsgrad von Leistungswandlern erhöht.

ICeGaN-Bauteile enthalten einen HEMT mit Hilfsgate, der den externen Gate-Eingang klemmt und eine stabile interne Gate-Vorspannung für den Haupt-HEMT im e-Modus bereitstellt. ICeGaN wird somit mit Gate-Vorspannungen von etwa 9 bis 20 V betrieben, was höhere transiente Spannungen sicher toleriert. Außerdem verdoppelt sich die scheinbare Schwellenspannung (VTH) auf etwa 3 bis 4 V, was die Störfestigkeit am Gate verbessert.

In ICeGaN-Bauelementen ist eine Miller-Klemme integriert, die für ein starkes Absenken des Gate-Potenzials (Pulldown) sorgt, wenn der HEMT nicht eingeschaltet ist. Das erübrigt das Bereitstellen negativer Gate-Spannungen, um das Bauelement sicher im ausgeschalteten Zustand zu halten. Die Miller-Klemme erweitert auch den sicheren Arbeitsbereich (SOA) und erhöht die Zuverlässigkeit des Gates, indem sie steilere dV/dt-Flanken absorbiert. Dies ermöglicht einen schnellen Betrieb ohne zusätzliche negative Spannungsschienen und kann über den Wert des Gate-Einschaltwiderstands gesteuert werden. Somit lässt sich die Einschaltgeschwindigkeit von ICeGaN entsprechend den Anforderungen steuern und ein Gleichgewicht zwischen EMI und Schaltverlusten herstellen.

Der dynamische Leistungsbedarf der GPU bei KI-Workloads verursacht große, schnelle Lastschwankungen, die nicht auf das AC-Netz zurückwirken dürfen. Um dies zu verhindern, muss jede Stufe der AC/DC-Wandlerkette transiente Lastbedingungen bewältigen und über ausreichend lokalen Energiespeicher verfügen, um solche Leistungsschwankungen auszugleichen.

Dies bedeutet, dass die Komponenten und das thermische Design eher auf Spitzen- als auf Durchschnittslast ausgelegt sein müssen. So wird sichergestellt, dass der 800-V-DC/DC-Wandler kurzfristige Leistungsspitzen ohne Überlastung oder Regulierungsverlust liefern kann.

Das interne Gate des Power-HEMT beginnt erst dann anzusteigen, wenn das externe Gate etwa 1,5 V überschritten hat. Aufgrund dieser zusätzlichen Schwelle weist ICeGaN mit 2,9 V eine höhere Schwellenspannung auf als herkömmliche diskrete e-Mode-GaN-Bauelemente.

Einer der Hauptvorteile von GaN-HEMT ist die Schaltleistung bei sehr geringer Gate-Ladung und ohne Body-Diode, sodass praktisch keine Ausschaltverluste auftreten. Da die Miller-Klemme das Bauelement bei 0 V abschaltet, sind ICeGaN-Bauelemente nicht so anfällig für hohe Rückleitungsverluste wie andere GaN-Komponenten.

Vor allem lässt sich die Kühlung des Bauelements deutlich verbessern, wenn dieses mit der Masse verbunden ist. Dies ermöglicht den Einsatz kleinerer Komponenten und den Betrieb des Systems bei niedrigeren Temperaturen.

Gehäusetechnik

Ein verringerter thermischer Widerstand des Gehäuses bietet mehrere Vorteile. Bei gleichem R_DS(on) steht mehr Ausgangsleistung zur Verfügung, während die Bauelemente bei gleicher Leistung mit niedrigeren Temperaturen arbeiten. Dies ermöglicht den Einsatz kleinerer, leichterer Kühlkörper und spart Kosten. Niedrigere Betriebstemperaturen erhöhen auch die Zuverlässigkeit, die Lebensdauer und tragen zu kleineren Stromversorgungen im KI-Rack bei.

Das von CGD entwickelte BHDFN-9-1-Gehäuse (Bottom Heat-Spreader DFN) ist ein von der Unterseite gekühltes Gehäuse mit benetzbaren Flanken für eine einfache optische Inspektion. Es basiert auf einem dickeren Leiterrahmen, um Wärme effektiver abzuleiten, und bietet einen Wärmewiderstand von 0,28 K/W, der dem anderer Bauteile entspricht oder diesen sogar übertrifft. Mit einer Größe von 10 mm × 10 mm ist das BHDFN kleiner als das häufig verwendete TOLL-Gehäuse, hat aber eine ähnliche Grundfläche, was die Integration und Handhabung vereinfacht.

Im Gegensatz zu diskreten GaN-Bauelementen verfügt ICeGaN über einen zusätzlichen Pin (Pin 1) zur Versorgung seiner internen Schaltung. Der Gate-Anschluss befindet sich an Pin 2 und der Kelvin-Source-Anschluss (KS) an Pin 3. Im TOLL-Gehäuse befindet sich der Gate-Anschluss an Pin 1, während der KS-Anschluss an Pin 2 liegt. Dies ermöglicht ein einfaches gemeinsames Layout, bei dem das TOLL-Bauelement seitlich versetzt wird, um eine Verbindung mit dem Stromanschluss im ICeGaN-Layout zu vermeiden. Dies macht einen nahezu direkten Austausch des TOLL-Bauteils durch ein ICeGaN-Bauelement möglich.

800-V-Leistungswandler mit GaN

Eine weit verbreitete Topologie für die Stromversorgung in Rechenzentren ist ein gestapelter Halbbrücken-Resonanzwandler in einer ISOP-Konfiguration (Input-Series, Output-Parallel). Dies ermöglicht die Wandlung von 800-V_DC-Eingängen unter Verwendung von 650-V-GaN-Bauelementen. Planartransformatoren und fortschrittliche magnetische Integration sind maßgebend für flache, kompakte Leistungsstufen, die erforderlich sind, wenn die Wandlermodule in der Nähe von GPU- und CPU-Platinen platziert werden müssen.

In den 800-V-Stromverteilungsnetzen werden bereits Schaltfrequenzen im Bereich von 500 bis 800 kHz bei Referenzdesigns für KI-Serveranwendungen eingesetzt. Mit der zunehmenden Verbreitung von GaN gibt es einen starken Trend hin zu 1 MHz und darüber hinaus, um die Leistungsdichte weiter zu steigern und die magnetischen Bauelemente zu verkleinern – vorausgesetzt, dass bei diesen höheren Frequenzen der Wirkungsgrad und die EMV-Verträglichkeit gewährleistet bleiben.

Sicherheit

Sicherheit ist ein zentrales Anliegen bei 800-V-DC/DC-Architekturen und bringt zusätzliche Designaspekte mit sich.

Bei 800 VDC ist eine verstärkte Isolierung erforderlich, mit größeren Luft- und Kriechstrecken als bei Busarchitekturen mit niedrigerer Spannung. ±400-V_DC-Systeme verwenden eine hochohmige oder durchgehende Mittelpunkterdung zur Schutzerde und erfordern weniger Kriechstrecke als unsymmetrische 800-V-Systeme.

Hot-Swap- und eFuse-Funktionen sind in die 800-V_DC-Stufe auf der Stromverteilungsplatine integriert. Einschaltstrom, Überlast und Fehlerisolierung lassen sich damit so nah wie möglich an der Rack-Einspeisung regeln.

800-V-DC/DC-Wandler kommen häufig auch als LLC-Stufen mit offenem Regelkreis zum Einsatz. Dabei befindet sich der Regler auf der Sekundärseite und die Erfassung auf der Primärseite ist begrenzt. Daher sind zusätzliche Schutzmaßnahmen auf der Primärseite erforderlich, u. a. Überspannungsschutz und Erkennung abnormaler Zustände, um Eingangsfehler sicher zu bewältigen.

Im Fehlerfall muss das 800-V-DC/DC-Design eine strenge Begrenzung der Fehlerenergie gewährleisten, damit sich Rauch, Feuer oder Brandschäden nicht auf GPU-Karten oder andere Komponenten des Einschubs ausbreiten. Auf diese Weise bleibt die Systemverfügbarkeit und Hardware-Integrität gewahrt.

Ein Beispiel aus der Praxis

Ein Prototyp eines 3-kW-Halbbrückenmoduls (400 V auf 50 V) mit CGD-P2-Bauelementen und einem Durchlasswiderstand von 25 mΩ auf der Primärseite eines Planartransformators demonstriert die mit ICeGaN-HEMTs erreichbare hohe Leistungsdichte und Effizienz. Das Modul erzielt einen Spitzenwirkungsgrad von 98,7 % und liefert bei Volllast einen Wirkungsgrad von 97,5 %.

Die modulare Architektur ermöglicht eine einfache parallele Skalierung auf höhere Leistungsstufen (z. B. 6 oder 12 kW) für den Einsatz in Hochleistungs-DC/DC-Stromversorgungen. Durch das Abschalten einzelner Phasen (Phase Shedding) zwischen verschachtelten Modulen lässt sich dann der Gesamtsystemwirkungsgrad über einen weiten Lastbereich optimieren.

Fazit

Entwickler von Stromversorgungen setzen zunehmend auf GaN in Rechenzentrumsanwendungen. Mit herkömmlichen GaN-Bauelementen kann es jedoch schwierig sein, optimale Leistungsfähigkeit zu erzielen. Die erforderliche negative Gate-Spannung stellt hier eine Herausforderung dar, wenn ein Betrieb bei höheren Frequenzen erreicht werden soll, um kleinere Leistungswandler zu ermöglichen.

Die Integration einer intelligenten Schnittstelle direkt auf dem Chip des GaN-Leistungsbauelements bietet Entwicklern von Stromversorgungen für KI-Rechenzentren klare Vorteile. Dadurch lassen sich Kosten, Größe und Gewicht von Stromversorgungen in 800-V-Stromverteilungsnetzen deutlich senken. (mr)

* Di Chen ist Technical Marketing Director bei Cambridge GaN Devices.

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