HSC-Topologie – IBC-Wandler
Zweistufige Resonanzwandler der nächsten Generation – HSC-Wandlertopologie (hybride Schaltkondensatoren)
Bei Resonanzwandlern (z. B. LLC-Wandlern) muss die Schaltfrequenz nahe bei der LC-Resonanz liegen, um ein weiches Schalten zu ermöglichen. Außerdem wird die gesamte Energie durch den Transformator geleitet, was die Gesamtverluste erhöht. Eine Wandlertopologie, bei der die Verwendung unterschiedlicher Komponenten erhebliche Abweichungen beim Wirkungsgrad herbeiführt, ist ohne zusätzliche Kompensationsmaßnahmen für die Serienfertigung nicht geeignet. Zur Überwindung dieser Problematik setzt Infineon auf einen neuen Ansatz auf der Basis eines zweistufigen Resonanzwandlers mit HSC-Topologie. Wie in der Abbildung dargestellt, besteht der HSC aus 6 MOSFETs, die auf zwei Schaltzweige aufgeteilt und über „fliegende Kondensatoren“ und eine als MTA (Autotransformator mit Mehrfachabgriff) bezeichnete Magnetkomponente verbunden sind. Der MTA besteht aus 4 in Reihe geschaltete Wicklungen um denselben Magnetkern. Ein Hochfrequenzbetrieb wird durch spannungsloses Schalten mithilfe der Magnetisierungsinduktivität des MTA möglich.
Der HSC versorgt eine Stromschiene mit ungeregelter Spannung, die vom Wicklungsverhältnis zwischen N1 und N2 abhängt. Die Topologie wird über zwei symmetrische Impulsbreitenmodulatoren angesteuert: H (d. h. Q1, Q3 und Q5 sind EIN, Q2, Q4 und Q6 sind AUS) und L (d. h. Q1, Q3 und Q5 sind AUS, Q2, Q4 sind Q6 EIN). Zwischen den beiden Zuständen wird eine Abklingzeit eingefügt, sodass lastunabhängiges, spannungsloses Schalten möglich ist. Der HSC kann oberhalb und unterhalb der Resonanzfrequenz arbeiten, ohne das spannungslose Schalten zu beeinflussen. Auf diese Weise lässt sich die Gesamtsystemleistung unabhängig von den eingesetzten Komponenten auf einem hohen Niveau halten. Einen der wesentlichen Faktoren für den hohen Wirkungsgrad und die hohe Leistungsdichte des HSC bildet die Nutzung von MOSFETs mit niedriger Nennspannung und einem besseren FOM-Wert. Beispielsweise können in einer 8:1-Konfiguration ausgehend von einer 48 V-Schiene für Q3 und Q6 MOSFETs mit einer Nennspannung von 25 V verwendet werden.
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Zur Bereitstellung von KI mit dem notwendigen Rechen- und Speicherbedarf in der Cloud ist ein optimales Energiemanagement unabdingbar. Genauer gesagt geht es um die Leistungsdichte der Stromwandler, über die die Prozessoren und ASICs im Rechenzentrum mit Strom versorgt werden. Im Rahmen des „Open Compute Project“ (OCP) gibt es Bestrebungen, diesen Herausforderungen durch die Definition neuer Standards für die Stromverteilungsarchitektur zu begegnen, indem die herkömmlich verwendete Zwischenbusspannung von 12 V auf 48 V erhöht wird. Dadurch lassen sich die Übertragungsverluste erheblich verringern und die Leistung effizienter an die jeweilige Last (d. h. für die KI eingesetzte ASICs / GPUs / CPUs oder SoCs) übertragen. Die Leistungspegel von KI-Beschleunigungsmodulen liegen bereits heute bei über 750 W, und die Stromstärken erreichen 1.000 A (bei einer Kernspannung von 0,75 V). Wenn dann acht solcher Module auf einem Mainboard installiert sind, kommen unfassbar hohe Nennleistungen zusammen, für die ein extremes Wärmemanagement erforderlich ist.
