Respaldo de batería de alta tensión para centros de datos de IA

A medida que las cargas de trabajo de inteligencia artificial continúan aumentando el consumo energético de los servidores, los operadores de centros de datos están adoptando arquitecturas de distribución de energía en corriente continua de alta tensión para reducir las pérdidas energéticas y mejorar la eficiencia a nivel de rack. Infineon Technologies ha presentado un diseño de referencia de convertidor DC-DC para una unidad de respaldo por batería (BBU) de 24 kW que opera directamente entre un banco de baterías y un bus de corriente continua de 800 V, orientado a centros de datos de IA de próxima generación y entornos de computación de alto rendimiento.

Arquitecturas DC de alta tensión para infraestructura de IA
El rápido crecimiento de la computación basada en inteligencia artificial está imponiendo mayores exigencias a los sistemas de suministro de energía dentro de los centros de datos. Las arquitecturas tradicionales de respaldo por batería de baja tensión pueden volverse menos eficientes a medida que aumenta la potencia de los racks, lo que lleva a los operadores a evaluar modelos de distribución DC de mayor tensión.

El nuevo diseño de referencia aborda esta transición al permitir la transferencia directa de energía entre un sistema de baterías y un bus DC de 800 V. La arquitectura está diseñada para mantener un suministro continuo de energía durante perturbaciones de la red eléctrica, transferencias a generadores de respaldo y cortes de suministro, minimizando al mismo tiempo las pérdidas de conversión.

Según Infineon, el diseño alcanza una densidad de potencia de 450 W/in³ y una eficiencia de conversión superior al 99 %, manteniendo una huella física comparable a la de las implementaciones BBU convencionales de baja tensión.

Arquitectura de conversión de potencia basada en carburo de silicio
El diseño de referencia se basa en una arquitectura de convertidor DC-DC multinivel, multifase y no aislada que combina etapas elevadoras y reductoras apiladas, intercaladas y acopladas.

En lugar de depender de condensadores flotantes, el diseño reduce el volumen de los componentes magnéticos mediante su topología de conversión. Una configuración de brazo de conmutación compartido crea una trayectoria de corriente común entre las funciones de carga y descarga, permitiendo la conmutación a tensión cero (ZVS) en todo el rango operativo.

Este enfoque reduce las pérdidas de conmutación, disminuye el rizado de corriente y mejora la respuesta transitoria. Estas características son cada vez más importantes en los centros de datos de IA, donde la demanda energética de los servidores puede fluctuar rápidamente debido a la asignación dinámica de cargas de trabajo y al uso de aceleradores.

Diseño integrado de la unidad de respaldo por batería
El módulo completo mide 112 mm × 88 mm × 118 mm e integra una etapa principal de potencia de 24 kW junto con una fuente de alimentación auxiliar de 2,4 kW.

Para reducir la cantidad de componentes y mejorar el aprovechamiento del espacio, los circuitos de carga y descarga comparten filtros de interferencia electromagnética (EMI), condensadores y MOSFET de protección. El diseño también incorpora transistores JFET de carburo de silicio para funciones de ORing e intercambio en caliente (hot-swap).

La fuente de alimentación auxiliar conmutada (SMPS) combina un transformador planar con la tecnología CoolSET, permitiendo una implementación compacta sin comprometer el aislamiento eléctrico ni el rendimiento de conversión.

Tecnologías de semiconductores de potencia para mejorar la eficiencia
La etapa de conversión DC-DC está basada en el MOSFET CoolSiC IMT65R033M2H de Infineon, un dispositivo de carburo de silicio de 650 V calificado para funcionamiento bidireccional buck-boost en aplicaciones de respaldo por batería de alta tensión.

El dispositivo está diseñado para minimizar tanto las pérdidas por conducción como las pérdidas por conmutación, contribuyendo a eficiencias superiores al 99 %. La reducción de pérdidas se traduce directamente en menores cargas térmicas a nivel de rack, ayudando a los operadores de centros de datos a gestionar de forma más eficiente los requisitos de refrigeración.

El MOSFET incorpora una tensión de ruptura de 650 V, un diodo de cuerpo robusto, una temperatura máxima de unión de 175 °C y la tecnología de encapsulado .XT. Estas características están destinadas a mejorar el comportamiento frente a sobretensiones, altas tasas de variación de tensión (dv/dt) y ciclos térmicos prolongados.

Las características uniformes de tensión umbral de compuerta entre dispositivos también simplifican el diseño de convertidores multifase y respaldan arquitecturas redundantes de alimentación a nivel de rack.

Integración de sistemas y gestión digital de energía
La lista completa de materiales incluye diversas tecnologías de Infineon, entre ellas MOSFET CoolSiC, controladores de compuerta EiceDRIVER, sensores de corriente TLE497x, un microcontrolador de la línea PSOC Performance, circuitos integrados de gestión de potencia CoolSET y un MOSFET de carburo de silicio de 1,7 kV.

Entre las características adicionales del diseño se incluyen la reducción del ruido en modo común y la integración completa de componentes magnéticos. La estructura mecánica incorpora tres tarjetas de potencia que proporcionan simultáneamente conexiones para los raíles DC positivo, negativo y de punto medio, además de actuar como elementos estructurales del conjunto.

Este enfoque integrado contribuye a la compacidad general del sistema y facilita su implementación en entornos de centros de datos de IA de alta densidad, donde el aprovechamiento eficiente del espacio constituye un parámetro de diseño fundamental.

Apoyo a la transición hacia la distribución de energía de alta tensión
Las unidades de respaldo por batería desempeñan un papel cada vez más importante en los centros de datos modernos orientados a IA, a medida que los operadores migran hacia arquitecturas de distribución DC de alta tensión. Tensiones de bus más elevadas permiten reducir los niveles de corriente para una misma potencia suministrada, disminuyendo las pérdidas en los conductores y mejorando la eficiencia de distribución en racks e instalaciones.

Al combinar semiconductores de potencia de carburo de silicio, conversión DC-DC de alta eficiencia e integración mecánica compacta, el diseño de referencia demuestra un enfoque para satisfacer los requisitos de densidad, eficiencia y fiabilidad asociados a la expansión de la infraestructura de inteligencia artificial.

Contexto adicional
Esta sección presenta especificaciones técnicas y comparaciones competitivas que no se incluyeron en el comunicado de prensa original.

Empresas del sector como Vertiv, Schneider Electric, Eaton, Delta Electronics, Huawei Digital Power y varios operadores de nube hyperscale están desarrollando sistemas DC de mayor tensión para soportar niveles de potencia por rack que superan cada vez más los 100 kW.

El uso de semiconductores de carburo de silicio diferencia esta arquitectura de los diseños basados principalmente en dispositivos de potencia de silicio. En comparación con los MOSFET convencionales de silicio, los dispositivos de carburo de silicio suelen admitir frecuencias de conmutación más elevadas, menores pérdidas de conmutación y un mejor rendimiento térmico, lo que permite utilizar componentes magnéticos más compactos y alcanzar una mayor eficiencia global del sistema.

A medida que los despliegues de servidores de IA continúan incrementando la demanda energética, las arquitecturas DC de alta tensión basadas en carburo de silicio y nitruro de galio están llamadas a desempeñar un papel cada vez más importante en la evolución de las infraestructuras de suministro energético para centros de datos.

Editado por Aishwarya Mambet, editora de Induportals, con asistencia de IA.

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