800-VDC-Stromverteilung SiC-Schalter sollen Kurzschlüsse in Mikrosekunden stoppen

Weniger Kupfer, geringere Leitungsverluste und Leistungen bis in den Megawattbereich sprechen für eine Stromverteilung mit 800 V_DC. Im Kurzschlussfall fehlt jedoch der natürliche Stromnulldurchgang. Ein SiC-basierter Leistungsschalter soll den Fehler deshalb innerhalb weniger Mikrosekunden abtrennen.

Die Leistungsaufnahme künftiger KI-Racks soll bis in den Megawattbereich steigen. Eine Verteilung mit den heute racknah üblichen Spannungen würde dabei sehr hohe Ströme erfordern: Rechnerisch fließen bei 1 MW und 54 V mehr als 18 kA, bei 800 V dagegen 1,25 kA. Die höhere Spannung reduziert deshalb Strom, Leitungsverluste und erforderliche Kupferquerschnitte.

Nvidia treibt hierfür eine 800-V_DC-Architektur voran, die ab 2027 Racks mit 1 MW und mehr versorgen soll. Vorgesehen ist, die Netzspannung bereits am Rand des Rechenzentrums zentral in 800 V Gleichspannung umzuwandeln und diese bis an die Racks zu verteilen. Damit können mehrere Wandlungsstufen der bisherigen AC-Infrastruktur entfallen. Im Rack muss die Spannung anschließend weiterhin auf die niedrigen Versorgungsspannungen der Prozessoren heruntergesetzt werden.

Gleichstrom erschwert die Fehlerabschaltung

Mit der höheren DC-Spannung steigen allerdings die Anforderungen an den Netzschutz. In Wechselstromnetzen durchläuft der Strom bei jeder Halbwelle einen natürlichen Nulldurchgang, der das Löschen eines Lichtbogens im Schalter erleichtert. Gleichstrom bietet diesen Nulldurchgang nicht. Mechanische DC-Leistungsschalter benötigen deshalb besondere Lichtbogenkammern oder andere Einrichtungen, um den Strom sicher zu unterbrechen.

Hinzu kommt die hohe Dynamik der Leistungselektronik. Zwischenkreiskondensatoren können bei einem Kurzschluss innerhalb sehr kurzer Zeit große Ströme liefern. Wird der Fehler nicht schnell genug isoliert, steigt die in Leitungen, Halbleitern und Leiterplatten umgesetzte Energie.

Ein 800-V_DC-System benötigt nicht zwangsläufig einen rein elektronischen Leistungsschalter. Auch Sicherungen, mechanische DC-Schalter und hybride Konzepte kommen grundsätzlich infrage. Je höher Leistungsdichte und Verfügbarkeitsanforderungen werden, desto schwieriger wird es jedoch, mit vergleichsweise langsam reagierenden Komponenten eine gezielte Fehlerisolierung zu erreichen.

SiC-JFETs sollen innerhalb von Mikrosekunden abschalten

Solar Edge entwickelt dafür einen Solid-State Circuit Breaker, kurz SSCB. Infineon steuert CoolSiC-JFETs als Leistungshalbleiter bei. Der Schalter soll zwischen dem Solid-State-Transformator und den Compute-Racks sitzen und einen fehlerhaften Zweig innerhalb weniger Mikrosekunden trennen.

Anders als bei einem mechanischen Leistungsschalter müssen dabei keine Kontakte geöffnet und keine Lichtbögen gelöscht werden. Der Halbleiterschalter lässt sich außerdem mit Strom- und Spannungssensoren kombinieren und gezielt steuern. Das erleichtert grundsätzlich eine selektive Abschaltung und ermöglicht Zustandsüberwachung sowie wiederholtes Einschalten nach einem Fehler.

Dass für diese Aufgabe SiC statt Silizium vorgesehen ist, ist technisch plausibel. SiC-Bauelemente verbinden eine hohe Sperrspannung mit vergleichsweise niedrigen Leitverlusten und schnellen Schaltvorgängen. Gerade bei einem SSCB ist der Einschaltwiderstand wichtig: Im Normalbetrieb fließt der gesamte Laststrom dauerhaft durch die Halbleiter. Schon geringe Spannungsabfälle verursachen bei Strömen im Kiloamperebereich erhebliche Verluste und einen entsprechenden Kühlbedarf.

Schnelle Abschaltung hat ihren Preis

Der größte Vorteil des SSCB ist somit nicht eine grundsätzlich höhere Schaltleistung, sondern die kurze Reaktionszeit. Sie begrenzt die Fehlerenergie und kann verhindern, dass ein lokaler Kurzschluss größere Teile der DC-Verteilung beeinträchtigt. Für hoch ausgelastete KI-Rechenzentren kann das einen erheblichen Verfügbarkeitsvorteil darstellen.

Dem stehen mehrere Nachteile gegenüber. Mechanische Schalter besitzen im geschlossenen Zustand sehr geringe Verluste und bieten im geöffneten Zustand eine sichtbare galvanische Trennstrecke. Ein Halbleiterschalter verursacht dagegen permanente Leitverluste und benötigt eine aufwendigere Ansteuerung, Kühlung und Überspannungsbegrenzung. Für Wartungsarbeiten dürfte deshalb weiterhin eine mechanische Trennmöglichkeit erforderlich sein. Auch hybride Leistungsschalter, die Halbleiter für die schnelle Abschaltung und mechanische Kontakte für den verlustarmen Dauerbetrieb kombinieren, bleiben eine relevante Alternative.

Bisher fehlen entscheidende Leistungsdaten

Die angekündigte Zusammenarbeit schließt eine technisch wichtige Lücke zwischen der zentralen Energieumwandlung und den Racks. Sie baut auf einem Solid-State-Transformator von Solar Edge auf, der Mittelspannung von 13,8 bis 34,5 kV direkt in 800 bis 1.500 V_DC umwandeln soll. Solar Edge nennt dafür einen Wirkungsgrad von mehr als 99 Prozent. Unabhängige Messwerte oder genaue Betriebsbedingungen liegen bislang nicht vor.

Auch zum SSCB nennen die Unternehmen weder Nennstrom noch Abschaltvermögen, Durchlasswiderstand, Verlustleistung oder maximal zulässige Fehlerenergie. Angaben zu Redundanz, Kühlung, Überspannungsbegrenzung und Verhalten bei einem Ausfall der Steuerelektronik fehlen ebenfalls. Ebenso ist kein Termin für Muster oder eine Serienverfügbarkeit angegeben.

Damit ist die Notwendigkeit eines schnellen Schutzkonzepts für künftige 800-V_DC-Rechenzentren gut begründbar. Ob die angekündigte Lösung von Solar Edge und Infineon den dafür erforderlichen Kompromiss aus Abschaltgeschwindigkeit, Verlustleistung und Zuverlässigkeit erreicht, lässt sich anhand der bislang veröffentlichten Daten jedoch noch nicht bewerten. (mr)

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