Effiziente Spannungsversorgung für Rechenzentren und Energiespeicher

Mit dem Ausbau von Rechenzentren, erneuerbaren Energien und industrieller Automatisierung steigen die Anforderungen an die Stromversorgung elektronischer Systeme. Dabei geht es nicht allein um die verfügbare elektrische Leistung.

Entscheidend ist auch, wie effizient sich unterschiedliche Spannungen bereitstellen lassen. Jede Umwandlung verursacht Verluste, die als Wärme abgeführt werden müssen. Gerade in Rechenzentren, in denen große Mengen elektrischer Energie umgesetzt werden, beeinflusst das unmittelbar den Kühlbedarf und die Betriebskosten. Der österreichische Hersteller Recom entwickelt dafür diskrete und modulare Lösungen zur Spannungswandlung. Auf der electronica in München erläutert das Unternehmen, wie seine Technik in Photovoltaik-Wechselrichtern, Batteriespeichern und Rechenzentren eingesetzt werden kann. Neben Wirkungsgraden von bis zu 98 Prozent stehen bidirektionale Wandler für das Batteriemanagement und die internationale Aufstellung der Fertigung im Mittelpunkt.

Recom wandelt Gleichspannung für Rechenzentren um

Rechenzentren benötigen unterschiedliche Versorgungsspannungen. Während elektrische Energie über übergeordnete Gleichspannungsnetze verteilt werden kann, arbeiten die einzelnen elektronischen Komponenten mit wesentlich niedrigeren Spannungen. Diese müssen durch entsprechende Wandler bereitgestellt werden. Recom adressiert unter anderem Anwendungen, bei denen eine Gleichspannung von 600 oder 800 Volt auf niedrigere Spannungsniveaus umgesetzt wird. Für nachgelagerte Systeme werden beispielsweise 24 oder 12 Volt benötigt. In den Servern selbst folgen weitere Wandlungsstufen, um die jeweils erforderlichen Betriebsspannungen der Elektronik bereitzustellen. Eine Rolle spielt dabei das RACPRO-Portfolio. Die Produktfamilie wurde ursprünglich für Anwendungen in der Automatisierungstechnik konzipiert. Aufgrund ihrer Möglichkeiten zur Versorgung über einen DC-Eingang kommen entsprechende Lösungen nach Unternehmensangaben auch für Rechenzentrumsanwendungen infrage. Die Spannungsversorgung lässt sich dabei nicht auf einen einzelnen Wandler reduzieren. Vielmehr besteht sie aus mehreren Stufen, die aufeinander abgestimmt werden müssen. Je nach Aufbau übernehmen unterschiedliche Komponenten die Versorgung ganzer Baugruppen oder einzelner Verbraucher.

Point-of-Load-Wandler versorgen elektronische Komponenten

Je näher die Spannungswandlung an den eigentlichen Verbraucher rückt, desto wichtiger werden kompakte Bauformen und eine präzise Regelung. Für diesen Bereich bietet Recom sogenannte Point-of-Load-Lösungen, kurz PoL, an. Diese Wandler stellen die benötigte Spannung unmittelbar in der Nähe der versorgten Elektronik bereit. Das ist beispielsweise bei Servern relevant, deren Baugruppen unterschiedliche elektrische Anforderungen haben. Die mehrstufige Spannungsversorgung ermöglicht es, elektrische Energie zunächst auf einem höheren Spannungsniveau zu verteilen und erst in der Nähe der Verbraucher auf die erforderlichen Werte umzusetzen. Dabei müssen die einzelnen Wandlungsstufen hinsichtlich ihrer Leistung und Effizienz aufeinander abgestimmt werden. Mit zunehmender Rechenleistung gewinnt diese Aufgabe an Bedeutung. Leistungsfähige Prozessoren und weitere elektronische Komponenten benötigen eine zuverlässige Versorgung, während die verfügbare Einbaufläche begrenzt bleibt.

Wirkungsgrade bis 98 Prozent reduzieren den Kühlbedarf

Bei jeder Spannungswandlung geht ein Teil der eingesetzten elektrischen Energie verloren. Diese Verlustleistung wird überwiegend in Wärme umgesetzt und muss aus dem System abgeführt werden. Je höher die umgesetzte Leistung, desto stärker wirkt sich selbst ein kleiner prozentualer Verlust aus. Recom erreicht bei entsprechenden Wandlerlösungen nach eigenen Angaben Wirkungsgrade von bis zu 98 Prozent. Bei einem solchen Wirkungsgrad werden 98 Prozent der aufgenommenen Leistung an die nachgelagerte Anwendung weitergegeben. Die verbleibenden zwei Prozent fallen als Verlustleistung an. Für Rechenzentren hat dies eine doppelte Bedeutung. Einerseits sinkt der unmittelbare Stromverbrauch der Spannungswandlung. Andererseits entsteht weniger Abwärme, die durch die Kühltechnik abgeführt werden muss. Damit beeinflusst die Effizienz der Stromversorgung auch die energetische Gesamtbilanz. Weniger Verlustwärme kann den Aufwand für die Kühlung reduzieren, wobei die tatsächliche Einsparung vom Aufbau und Betrieb des jeweiligen Rechenzentrums abhängt. Der Wirkungsgrad ist allerdings nicht bei jeder Belastung gleich. Für die Auslegung einer Spannungsversorgung sind deshalb neben dem maximal erreichbaren Wert auch die Betriebsbedingungen und die typischen Lastbereiche entscheidend.

Bidirektionale Wandler für das Batteriemanagement

Ein weiteres Anwendungsfeld ist die Energiespeicherung. Batteriesysteme bestehen aus zahlreichen miteinander verbundenen Zellen, deren Ladezustände sich im Betrieb unterscheiden können. Diese Unterschiede müssen durch geeignete Verfahren ausgeglichen werden, damit die Batterie möglichst effizient und zuverlässig arbeitet. Recom bietet in seinem Portfolio aus integrierten Schaltungen und Transformatoren auch bidirektionale Lösungen für das sogenannte Battery Cell Balancing an. Dabei kann elektrische Energie auf Zellebene in beide Richtungen übertragen werden. Im Unterschied zu Verfahren, bei denen überschüssige Energie einer Zelle überwiegend in Wärme umgesetzt wird, ermöglicht ein aktives Balancing die gezielte Energieübertragung zwischen unterschiedlichen Bereichen des Batteriesystems. Das kann die Nutzung der vorhandenen Speicherkapazität verbessern und die Belastung einzelner Zellen verringern. Nach Einschätzung des Unternehmens ergeben sich daraus Vorteile für die Effizienz und die Lebensdauer der Batterie. Die Technik ist besonders bei größeren Energiespeichern interessant, in denen zahlreiche Zellen gemeinsam betrieben werden. Wie stark sich ein aktives Balancing auswirkt, hängt allerdings von der jeweiligen Batteriearchitektur und den Betriebsbedingungen ab.

Spannungsversorgung für Photovoltaik und Automatisierung

Neben Rechenzentren und Batteriespeichern gehört die Energiegewinnung zu den Einsatzgebieten der Wandlertechnik. In Photovoltaik-Wechselrichtern werden unterschiedliche Spannungsniveaus benötigt, um Steuerungen, Messsysteme und weitere elektronische Komponenten zu versorgen. Auch in industriellen Automatisierungsanlagen ist eine zuverlässige Spannungsversorgung unverzichtbar. Sensoren, Steuerungen und Kommunikationssysteme benötigen definierte elektrische Betriebsbedingungen, die sich von der übergeordneten Energieversorgung unterscheiden. Recom deckt diese Anforderungen mit diskreten Komponenten und modularen Lösungen ab. Während einzelne Komponenten in kundenspezifische Schaltungen integriert werden können, ermöglichen Module den Einsatz bereits aufgebauter Wandlungsstufen. Die unterschiedlichen Produktansätze richten sich damit an Entwickler, die je nach Anwendung zwischen Integrationsaufwand, Baugröße und technischen Anforderungen abwägen müssen.

Internationale Fertigung soll Lieferketten absichern

Neben den technischen Entwicklungen beschäftigt den Hersteller die internationale Verfügbarkeit elektronischer Komponenten. Politische und wirtschaftliche Veränderungen können die Beschaffung und den Vertrieb beeinflussen. Recom hat deshalb seine Fertigungsstruktur auf mehrere Länder verteilt. Zu den genannten Produktionsstandorten gehören China und Thailand sowie Italien, Serbien und Ungarn. Die chinesische Fertigung dient insbesondere der Versorgung des chinesischen Marktes. Für den amerikanischen Markt greift das Unternehmen nach eigenen Angaben auf Standorte außerhalb Chinas zurück. Die regionale Diversifikation soll die Abhängigkeit von einzelnen Produktionsländern reduzieren und eine flexiblere Belieferung unterschiedlicher Märkte ermöglichen. Gleichzeitig betont Recom die Bedeutung qualifizierter Zulieferer und einheitlicher Anforderungen an die Fertigungsqualität. Für Kunden aus der Industrie ist diese Aufstellung relevant, weil Spannungswandler häufig über längere Zeiträume in Serienprodukten eingesetzt werden. Neben den elektrischen Eigenschaften zählen deshalb auch die langfristige Verfügbarkeit und die Zuverlässigkeit der Lieferkette. Die Entwicklung zeigt, dass sich die Anforderungen an Hersteller von Leistungselektronik auf zwei Ebenen verändern. Technisch müssen Wandler höhere Leistungen möglichst verlustarm bereitstellen. Gleichzeitig wird die internationale Organisation von Fertigung und Beschaffung zu einem wichtigen Faktor für die Versorgungssicherheit. Gerade bei Anwendungen in Rechenzentren, Energiespeichern und der industriellen Automatisierung sind beide Aspekte eng miteinander verbunden.