Alimentation de secours haute tension pour centres de données IA

À mesure que les charges de travail liées à l'intelligence artificielle augmentent la consommation énergétique des serveurs, les exploitants de centres de données adoptent des architectures de distribution électrique en courant continu haute tension afin de réduire les pertes d'énergie et d'améliorer l'efficacité au niveau des racks. Infineon Technologies a présenté une conception de référence de convertisseur DC-DC pour unité de secours par batterie (BBU) de 24 kW, fonctionnant directement entre un ensemble de batteries et un bus DC de 800 V, destinée aux centres de données IA de nouvelle génération et aux environnements de calcul haute performance.

Architectures DC haute tension pour les infrastructures IA
La croissance rapide du calcul basé sur l'intelligence artificielle impose des exigences croissantes aux systèmes d'alimentation électrique des centres de données. Les architectures traditionnelles de secours par batterie basse tension peuvent perdre en efficacité à mesure que la puissance des racks augmente, ce qui pousse les opérateurs à évaluer des modèles de distribution DC à tension plus élevée.

La nouvelle conception de référence répond à cette évolution en permettant un transfert direct d'énergie entre un système de batteries et un bus DC de 800 V. Cette architecture vise à assurer une alimentation continue lors de perturbations du réseau électrique, de basculements vers des générateurs de secours ou de coupures de courant, tout en limitant les pertes de conversion.

Selon Infineon, cette conception atteint une densité de puissance de 450 W/in³ et un rendement supérieur à 99 %, tout en conservant un encombrement comparable à celui des solutions BBU basse tension existantes.

Architecture de conversion de puissance en carbure de silicium
La conception de référence repose sur une architecture de convertisseur DC-DC non isolée, multiphasée et multiniveaux, combinant des étages boost et buck empilés, entrelacés et couplés.

Au lieu de s'appuyer sur des condensateurs flottants, l'architecture réduit le volume des composants magnétiques grâce à sa topologie de conversion. Une configuration à bras de commutation partagé crée un chemin de courant commun entre les fonctions de charge et de décharge, permettant une commutation à tension nulle (ZVS) sur l'ensemble de la plage de fonctionnement.

Cette approche réduit les pertes de commutation, diminue l'ondulation du courant et améliore la réponse aux transitoires. Ces caractéristiques deviennent de plus en plus importantes dans les centres de données IA, où la consommation électrique des serveurs peut fluctuer rapidement en raison de l'allocation dynamique des charges de travail et de l'utilisation des accélérateurs.

Conception intégrée de l'unité de secours par batterie
Le module complet mesure 112 mm × 88 mm × 118 mm et intègre un étage principal de puissance de 24 kW ainsi qu'une alimentation auxiliaire de 2,4 kW.

Afin de réduire le nombre de composants et d'optimiser l'utilisation de l'espace, les circuits de charge et de décharge partagent les filtres de compatibilité électromagnétique (EMI), les condensateurs et les MOSFET de protection. La conception intègre également des transistors JFET en carbure de silicium pour les fonctions d'ORing et de remplacement à chaud.

L'alimentation auxiliaire à découpage (SMPS) associe un transformateur planaire à la technologie CoolSET, permettant une mise en œuvre compacte tout en conservant de bonnes performances de conversion et une isolation électrique efficace.

Technologies de semi-conducteurs de puissance au service de l'efficacité
L'étage de conversion DC-DC repose sur le MOSFET CoolSiC IMT65R033M2H d'Infineon, un composant en carbure de silicium de 650 V qualifié pour un fonctionnement bidirectionnel buck-boost dans les applications de secours par batterie haute tension.

Ce composant est conçu pour minimiser à la fois les pertes de conduction et de commutation, contribuant à des rendements supérieurs à 99 %. La réduction des pertes se traduit directement par une diminution des charges thermiques au niveau des racks, aidant ainsi les exploitants à optimiser leurs systèmes de refroidissement.

Le MOSFET dispose d'une tension de claquage de 650 V, d'une diode intrinsèque robuste, d'une température maximale de jonction de 175 °C et de la technologie de boîtier .XT. Ces caractéristiques visent à améliorer les performances face aux surtensions, aux commutations à fort dv/dt et aux cycles thermiques prolongés.

La cohérence des tensions de seuil de grille entre les composants simplifie également la conception des convertisseurs multiphasés et favorise les architectures d'alimentation redondantes au niveau des racks.

Intégration système et gestion numérique de l'alimentation
La nomenclature complète inclut plusieurs technologies Infineon, notamment les MOSFET CoolSiC, les pilotes de grille EiceDRIVER, les capteurs de courant TLE497x, un microcontrôleur de la gamme PSOC Performance, les circuits intégrés de gestion d'alimentation CoolSET et un MOSFET en carbure de silicium de 1,7 kV.

Les autres caractéristiques de conception comprennent une réduction du bruit en mode commun ainsi que des composants magnétiques entièrement intégrés. La structure mécanique utilise trois cartes de puissance assurant simultanément les connexions des rails DC positif, négatif et intermédiaire, tout en jouant un rôle structurel dans l'assemblage.

Cette approche intégrée contribue à la compacité globale du système et facilite son déploiement dans des centres de données IA à haute densité, où l'optimisation de l'espace constitue un critère de conception essentiel.

Accompagner la transition vers la distribution électrique haute tension
Les unités de secours par batterie jouent un rôle de plus en plus important dans les centres de données IA modernes, à mesure que les opérateurs migrent vers des architectures de distribution DC haute tension. Des tensions de bus plus élevées permettent de réduire les niveaux de courant pour une même puissance délivrée, diminuant ainsi les pertes dans les conducteurs et améliorant l'efficacité de distribution au niveau des racks et des installations.

En associant des semi-conducteurs de puissance en carbure de silicium, une conversion DC-DC à haut rendement et une intégration mécanique compacte, cette conception de référence illustre une approche visant à répondre aux exigences de densité, d'efficacité et de fiabilité liées à l'expansion des infrastructures IA.

Contexte supplémentaire
Cette section présente des spécifications techniques et des comparaisons concurrentielles qui ne figuraient pas dans le communiqué de presse original.

Des acteurs du secteur tels que Vertiv, Schneider Electric, Eaton, Delta Electronics, Huawei Digital Power ainsi que plusieurs opérateurs de cloud hyperscale développent des systèmes électriques DC à tension élevée capables de prendre en charge des niveaux de puissance par rack dépassant de plus en plus les 100 kW.

L'utilisation de semi-conducteurs en carbure de silicium distingue cette architecture des conceptions reposant principalement sur des dispositifs de puissance en silicium. Comparés aux MOSFET en silicium conventionnels, les composants en carbure de silicium permettent généralement des fréquences de commutation plus élevées, des pertes de commutation plus faibles et de meilleures performances thermiques. Ils favorisent ainsi l'utilisation de composants magnétiques plus compacts et l'obtention de rendements globaux plus élevés.

À mesure que les déploiements de serveurs IA continuent d'accroître la demande énergétique, les architectures DC haute tension utilisant des technologies en carbure de silicium et en nitrure de gallium devraient jouer un rôle de plus en plus important dans l'évolution des infrastructures d'alimentation des centres de données.

Publié avec l’assistance de l’IA par Aishwarya Mambet, rédactrice pour Induportals.

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