Centros de datos de IA con refrigeración líquida: Selección de componentes de alimentación bajo cargas térmicas elevadas

La refrigeración líquida está transformando la forma en que los centros de datos de IA de alta densidad gestionan el calor. A medida que los clústeres de GPU y los racks de servidores demandan más energía, los sistemas de refrigeración evolucionan junto con las arquitecturas de distribución y conversión de energía.

Sin embargo, la adopción de la refrigeración líquida no implica automáticamente que todos los componentes eléctricos funcionen a menor temperatura. Las condiciones térmicas reales dependen de dónde esté instalado el componente, cómo se transfiere el calor y si está conectado directamente a un sistema de refrigeración líquida o si permanece dentro de una carcasa refrigerada por aire.

Para los diseñadores de electrónica de potencia, la cuestión importante no es simplemente si un centro de datos utiliza refrigeración líquida, sino cómo la arquitectura de refrigeración modifica las condiciones de funcionamiento de los componentes dentro del sistema de suministro de energía.

Las diferentes arquitecturas de refrigeración líquida crean diferentes condiciones térmicas.

La refrigeración líquida se puede implementar en diferentes niveles de un centro de datos de IA. Cada método afecta de manera diferente a los equipos eléctricos circundantes.

La refrigeración directa al chip hace circular el refrigerante a través de placas frías conectadas a componentes que generan calor, como las GPU y las CPU. Elimina el calor cerca de la fuente, pero las fuentes de alimentación y otros componentes eléctricos aún pueden depender de sistemas de flujo de aire o refrigeración independientes.

Los intercambiadores de calor de la puerta trasera eliminan el calor del aire que sale del rack de servidores. Pueden reducir la carga térmica liberada en el espacio del centro de datos, mientras que las condiciones de refrigeración interna de los módulos de alimentación individuales siguen dependiendo de su propio diseño.

La refrigeración por inmersión coloca los equipos informáticos compatibles en un fluido dieléctrico. Este método crea un entorno térmico y material diferente, por lo que la compatibilidad del fluido es un factor importante a considerar para los equipos que están directamente expuestos al refrigerante.

Estas arquitecturas no deben considerarse intercambiables. Un componente de alimentación ubicado dentro de una bandeja de alimentación refrigerada por aire puede experimentar condiciones muy diferentes a las de uno integrado en una unidad de alimentación dedicada refrigerada por líquido.

Por lo tanto, el primer paso en la selección de componentes es comprender el límite de refrigeración: qué equipos se refrigeran por líquido, cuáles se refrigeran por aire y cómo se transfiere el calor entre ambos.

Semiconductores de potencia: temperatura de unión y margen de funcionamiento

Los semiconductores de potencia son esenciales en las etapas de conversión de los sistemas de alimentación de los centros de datos de IA. Se pueden utilizar MOSFET, IGBT, dispositivos SiC y dispositivos GaN según el nivel de voltaje, la frecuencia de conmutación, el objetivo de eficiencia y la topología del convertidor.

Su rendimiento térmico está estrechamente relacionado con las condiciones de funcionamiento eléctrico.

Las pérdidas por conducción y las pérdidas por conmutación generan calor durante el funcionamiento. La temperatura de la unión resultante depende de la potencia disipada, la resistencia térmica del dispositivo y del encapsulado, la interfaz de refrigeración y el entorno térmico circundante.

Al evaluar los dispositivos semiconductores, los ingenieros deben tener en cuenta lo siguiente:

• Temperatura máxima de la unión y rango de funcionamiento recomendado

• Pérdidas por conducción y conmutación en el punto de funcionamiento previsto.

• Resistencia térmica desde la unión a la carcasa y desde la carcasa al ambiente o a la interfaz del refrigerante.

• Frecuencia de conmutación y perfil de carga

• Comportamiento térmico transitorio durante cambios rápidos de carga

• Aislamiento eléctrico y condiciones de montaje requeridos

Un sistema de refrigeración líquida puede mejorar la disipación del calor en una interfaz específica, pero este beneficio depende de la trayectoria térmica real. Si el semiconductor no está conectado al circuito de refrigeración líquida, su temperatura de funcionamiento puede seguir estando determinada por el flujo de aire, el diseño del disipador de calor y las condiciones de la carcasa.

Por lo tanto, el dispositivo seleccionado debe evaluarse utilizando la ruta térmica completa en lugar del método de refrigeración utilizado en otras partes del rack.

Inductores y componentes magnéticos: Las pérdidas siguen siendo importantes

Los componentes magnéticos siguen siendo importantes en los circuitos de conversión de energía y regulación de voltaje, incluidas las fuentes de alimentación y las etapas de los convertidores CC-CC.

Las pérdidas de un inductor generalmente incluyen pérdidas en el devanado y pérdidas en el núcleo. Ambas se ven afectadas por el punto de operación eléctrica y la construcción del componente.

A altas corrientes, la resistencia del bobinado contribuye a las pérdidas de cobre. Las pérdidas en el núcleo dependen de factores como la frecuencia de conmutación, la densidad de flujo y el material del núcleo. Estas pérdidas contribuyen al aumento de temperatura del componente y pueden afectar sus características eléctricas con el tiempo.

Para aplicaciones de potencia de servidor de IA, los ingenieros deben revisar:

• Corriente nominal y de saturación

• Resistencia de CC y pérdidas por bobinado

• Material del núcleo y frecuencia de funcionamiento

• Variación de la inductancia bajo polarización de CC

• Aumento de temperatura a la carga prevista

• Características térmicas del paquete y disposición de montaje

La refrigeración líquida en otras partes del sistema no elimina estas consideraciones. Si un inductor permanece en una sección refrigerada por aire, su rendimiento térmico sigue dependiendo del flujo de aire local y la transferencia de calor.

En los conjuntos compactos de conversión de energía, la distancia entre los componentes magnéticos, los dispositivos de conmutación y otras fuentes de calor también puede influir en la distribución final de la temperatura.

Condensadores: Temperatura, corriente de rizado y vida útil

Los condensadores se utilizan en todos los circuitos de conversión y distribución de energía para el filtrado, el almacenamiento de energía y la estabilización de voltaje.

Sus condiciones de funcionamiento pueden variar significativamente dependiendo de su posición en la arquitectura de la red eléctrica.

Los condensadores del enlace de CC, por ejemplo, pueden experimentar fluctuaciones de corriente y estrés eléctrico asociados al funcionamiento del convertidor. Los condensadores de salida pueden estar expuestos a diferentes perfiles de fluctuación y condiciones transitorias.

Al seleccionar condensadores para sistemas de potencia de alta densidad, los ingenieros deben evaluar:

• Tensión y capacitancia nominales

• Capacidad de corriente de rizado

• Resistencia serie equivalente (ESR)

• Rango de temperatura de funcionamiento

• Vida útil prevista en condiciones eléctricas y térmicas reales.

• Dimensiones mecánicas y requisitos de montaje

La temperatura es un factor importante en la vida útil de un condensador, pero no debe evaluarse independientemente de la corriente de rizado y la tensión a la que está sometido.

Un sistema de refrigeración que reduce la temperatura de los equipos cercanos no necesariamente reduce el calentamiento interno de un condensador causado por la corriente de rizado. Aún es necesario considerar las pérdidas eléctricas y la trayectoria térmica del propio componente.

Conectores e interconexiones: Aumento de la temperatura local

Los sistemas de IA de alta potencia requieren conexiones eléctricas compactas en los bastidores de alimentación, los racks de servidores y los conjuntos de distribución.

Los conectores, terminales e interfaces de barras colectoras deben soportar la corriente prevista manteniendo una resistencia de contacto y una estabilidad mecánica aceptables.

Incluso cuando se controla la temperatura general del recinto, puede producirse un calentamiento localizado en los puntos de conexión eléctrica. La resistencia de contacto, la carga de corriente, el calibre del conductor, la calidad de la conexión y las condiciones de instalación influyen en el aumento de temperatura.

La selección de componentes debe tener en cuenta:

• Corriente nominal en las condiciones reales de instalación.

• Resistencia de contacto y pérdidas de potencia asociadas

• Aumento de temperatura en la corriente prevista

• Compatibilidad con cables o barras colectoras

• Vibración y retención mecánica

• Requisitos de aislamiento y fugas

• Condiciones de protección y mantenimiento del medio ambiente

En los equipos refrigerados por líquido, también merece atención la posición de los conectores con respecto a las placas frías, las líneas de refrigerante y otras interfaces térmicas.

La presencia de tuberías o colectores de refrigerante cerca de las conexiones eléctricas hace que la disposición de la instalación y el acceso para el servicio sean aspectos importantes de la revisión del diseño.

Los componentes de protección deben coincidir con sus condiciones de funcionamiento reales.

Los fusibles y otros dispositivos de protección se seleccionan en función de los requisitos de seguridad eléctrica, y no simplemente de la potencia nominal del sistema.

Para aplicaciones de corriente continua de alta potencia, los ingenieros deben verificar la tensión nominal, la corriente continua, la capacidad de interrupción, las características tiempo-corriente y la coordinación con el sistema de protección general.

Las condiciones térmicas también afectan el funcionamiento de los componentes de protección. La temperatura ambiente, la temperatura de la carcasa, la disposición de montaje y el calor generado por los componentes adyacentes pueden influir en la capacidad de conducción de corriente aplicable.

Un fusible seleccionado únicamente en función de su corriente nominal puede no ser adecuado para las condiciones reales de instalación. Se deben consultar las directrices de reducción de capacidad del fabricante y el entorno operativo previsto.

El mismo principio se aplica a los dispositivos de conmutación y otros componentes relacionados con la protección: es necesario considerar conjuntamente las características eléctricas, las condiciones térmicas y los requisitos de instalación.

La infraestructura de refrigeración también plantea consideraciones de diseño eléctrico.

La refrigeración líquida introduce equipos e interfaces adicionales en el entorno del centro de datos.

Dependiendo de la arquitectura, el sistema de refrigeración puede incluir unidades de distribución de refrigerante (CDU), bombas, válvulas, sensores, dispositivos de monitorización y circuitos de control.

Estos dispositivos generan cargas eléctricas auxiliares e introducen requisitos adicionales para el suministro de energía, la conmutación, la detección y la comunicación.

Para los diseñadores de circuitos de control y electrónica de potencia, hay varios detalles que merecen atención:

• Requisitos de potencia de las bombas, las unidades de distribución de agua y los equipos de control.

• Estabilidad del suministro para dispositivos de monitoreo y control

• Interfaces de detección de temperatura y caudal

• Comunicación entre los sistemas de control de refrigeración y los sistemas de monitorización de las instalaciones.

• Protección eléctrica para cargas auxiliares

• Ubicación y acceso a los equipos para su mantenimiento

El rendimiento de refrigeración y el rendimiento eléctrico están estrechamente relacionados. Un sistema de refrigeración requiere alimentación y control fiables, mientras que los equipos eléctricos dependen de condiciones térmicas adecuadas para funcionar dentro de sus límites especificados.

Esta relación es particularmente importante en instalaciones de IA de alta densidad, donde la infraestructura de energía y refrigeración debe planificarse conjuntamente en lugar de desarrollarse como sistemas completamente separados.

Una revisión práctica antes de finalizar la selección de componentes.

Al evaluar los componentes de alimentación para un centro de datos de IA con refrigeración líquida, los ingenieros deben establecer las condiciones de funcionamiento reales antes de comparar los números de pieza individuales.

Una revisión útil puede incluir los siguientes puntos:

1. Identifique la arquitectura de refrigeración. Determine si el sistema utiliza refrigeración directa al chip, intercambiadores de calor en la puerta trasera, refrigeración por inmersión o una combinación de estos métodos.

2. Localiza los componentes en un mapa. Identifica qué componentes de potencia se enfrían directamente con líquido, cuáles se ven afectados indirectamente por el sistema de refrigeración o cuáles aún dependen del flujo de aire local.

3. Defina las condiciones de funcionamiento eléctrico. Confirme la tensión, la corriente continua, la corriente pico, la frecuencia de conmutación y la variación de carga prevista.

4. Evaluar los límites térmicos. Revisar la temperatura de la unión, el aumento de temperatura, la resistencia térmica y los requisitos de reducción de potencia del fabricante.

5. Compruebe la compatibilidad de los materiales y del entorno. Para equipos expuestos a fluidos refrigerantes o dieléctricos, verifique la compatibilidad con los materiales pertinentes y las condiciones de funcionamiento.

6. Revise las conexiones eléctricas. Compruebe las especificaciones de los conectores, la resistencia de contacto, el aislamiento, el espacio de instalación y el aumento de temperatura.

7. Considere el equipo auxiliar. Incluya los requisitos de alimentación, control, detección y comunicación de la infraestructura de refrigeración.

8. Verifique el ensamblaje completo. Las especificaciones de los componentes deben evaluarse dentro de la carcasa final y el sistema de refrigeración, no solo bajo las condiciones de la hoja de datos aislada.

Este proceso ayuda a prevenir un error de diseño común: suponer que la presencia de refrigeración líquida resuelve automáticamente las limitaciones térmicas en todo el sistema de alimentación.

Selección de componentes dentro de un diseño integrado de alimentación y refrigeración.

La refrigeración líquida se está convirtiendo en una parte importante de la infraestructura de los centros de datos de IA de alta densidad, pero no reemplaza la necesidad de una ingeniería eléctrica y térmica cuidadosa.

Los semiconductores, inductores, condensadores, conectores, dispositivos de conmutación y componentes de protección presentan características de funcionamiento diferentes. Su idoneidad depende de la aplicación eléctrica, las condiciones térmicas locales, el entorno de instalación y la interacción con los equipos circundantes.

A medida que los sistemas de conversión de energía y de refrigeración se integran cada vez más, la selección de componentes debe reflejar las condiciones reales en cada etapa de la cadena de suministro de energía.

ESHINE ofrece servicios de abastecimiento de componentes electrónicos y selección técnica para aplicaciones de electrónica de potencia y relacionadas con la energía. Para proyectos de alimentación de servidores de IA y centros de datos, los requisitos de los componentes se pueden evaluar según parámetros eléctricos, condiciones térmicas, limitaciones de encapsulado y necesidades de la aplicación.

Compartir la función prevista del circuito, los parámetros de funcionamiento y el entorno de instalación ayuda a reducir las opciones de componentes adecuados para una revisión técnica más exhaustiva.