Centres de données IA refroidis par liquide : Sélection des composants d’alimentation sous fortes charges thermiques

Le refroidissement liquide révolutionne la gestion thermique des centres de données IA haute densité. Face à la demande croissante en énergie des clusters de GPU et des baies de serveurs, les systèmes de refroidissement évoluent de pair avec les architectures de distribution et de conversion de puissance.

Cependant, l'adoption du refroidissement liquide n'implique pas automatiquement que chaque composant électrique fonctionne à une température plus basse. Les conditions thermiques réelles dépendent de l'emplacement du composant, du mode de transfert de chaleur et de son raccordement au système de refroidissement liquide ou de son placement dans un boîtier refroidi par air.

Pour les concepteurs d'électronique de puissance, la question importante n'est pas simplement de savoir si un centre de données utilise un refroidissement liquide. Il s'agit de comprendre comment l'architecture de refroidissement modifie les conditions de fonctionnement des composants du système d'alimentation.

Différentes architectures de refroidissement liquide créent différentes conditions thermiques

Le refroidissement liquide peut être mis en œuvre à différents niveaux d'un centre de données d'IA. Chaque approche a un impact différent sur les équipements électriques environnants.

Le refroidissement direct sur puce fait circuler un liquide de refroidissement à travers des plaques froides fixées aux composants générateurs de chaleur, tels que les GPU et les CPU. Il évacue la chaleur au plus près de sa source, mais les alimentations et autres composants électroniques peuvent toujours nécessiter un système de refroidissement ou de ventilation séparé.

Les échangeurs de chaleur situés à l'arrière du serveur évacuent la chaleur de l'air sortant de la baie. Ils permettent de réduire la chaleur dégagée dans le centre de données, tandis que les conditions de refroidissement interne de chaque module d'alimentation restent tributaires de sa conception propre.

Le refroidissement par immersion consiste à placer les équipements informatiques compatibles dans un fluide diélectrique. Cette approche crée un environnement thermique et matériel différent, ce qui rend la compatibilité du fluide essentielle pour les équipements directement exposés au liquide de refroidissement.

Ces architectures ne doivent pas être considérées comme interchangeables. Un composant d'alimentation situé dans un boîtier d'alimentation refroidi par air peut être soumis à des conditions très différentes de celles d'un composant intégré dans un boîtier d'alimentation dédié refroidi par liquide.

La première étape du choix des composants consiste donc à comprendre les limites du refroidissement : quels équipements sont refroidis par liquide, lesquels restent refroidis par air et comment la chaleur se déplace entre les deux.

Semiconducteurs de puissance : température de jonction et marge de fonctionnement

Les semi-conducteurs de puissance sont essentiels aux étages de conversion des systèmes d'alimentation des centres de données d'IA. Les MOSFET, les IGBT, les dispositifs SiC et les dispositifs GaN peuvent être utilisés en fonction du niveau de tension, de la fréquence de commutation, de l'objectif d'efficacité et de la topologie du convertisseur.

Leurs performances thermiques sont étroitement liées aux conditions de fonctionnement électrique.

Les pertes par conduction et par commutation génèrent de la chaleur en fonctionnement. La température de jonction résultante dépend de la puissance dissipée, de la résistance thermique du composant et de son boîtier, de l'interface de refroidissement et de l'environnement thermique ambiant.

Lors de l'évaluation des dispositifs semi-conducteurs, les ingénieurs doivent prendre en compte :

• Température de jonction maximale et plage de fonctionnement recommandée

• Pertes par conduction et par commutation au point de fonctionnement prévu

• Résistance thermique de la jonction au boîtier et du boîtier à l'environnement ou à l'interface du fluide de refroidissement

• Profil de fréquence et de charge de commutation

• Comportement thermique transitoire lors de variations de charge rapides

• Conditions d'isolation électrique et de montage requises

Un système de refroidissement liquide peut améliorer l'évacuation de la chaleur à une interface donnée, mais cet avantage dépend du trajet thermique réel. Si le semi-conducteur n'est pas connecté au circuit de refroidissement liquide, sa température de fonctionnement peut toujours être influencée par le flux d'air, la conception du dissipateur thermique et les conditions de l'enceinte.

Le dispositif sélectionné doit donc être évalué en utilisant le chemin thermique complet plutôt que la méthode de refroidissement utilisée ailleurs dans le rack.

Inducteurs et composants magnétiques : les pertes restent importantes

Les composants magnétiques restent importants dans les circuits de conversion de puissance et de régulation de tension, notamment dans les alimentations et les étages de conversion CC-CC.

Les pertes dans une inductance comprennent généralement les pertes par effet Joule et les pertes dans le noyau. Ces deux types de pertes sont influencés par le point de fonctionnement électrique et la construction du composant.

À courant élevé, la résistance des enroulements contribue aux pertes par effet Joule. Les pertes dans le noyau dépendent de facteurs tels que la fréquence de commutation, la densité de flux et le matériau du noyau. Ces pertes contribuent à l'élévation de température du composant et peuvent affecter ses caractéristiques électriques au fil du temps.

Pour les applications de puissance des serveurs d'IA, les ingénieurs doivent examiner :

• Courant nominal et de saturation

• résistance en courant continu et pertes par enroulement

• Matériau du noyau et fréquence de fonctionnement

• Variation d'inductance sous polarisation continue

• Élévation de température à la charge prévue

• Caractéristiques thermiques du boîtier et de la disposition de montage

Le refroidissement liquide présent ailleurs dans le système ne supprime pas ces considérations. Si un inducteur demeure dans une section refroidie par air, ses performances thermiques dépendent toujours du flux d'air et du transfert de chaleur locaux.

Pour les ensembles de conversion de puissance compacts, l'espacement entre les composants magnétiques, les dispositifs de commutation et autres sources de chaleur peut également influencer la distribution finale de la température.

Condensateurs : température, courant d’ondulation et durée de vie

Les condensateurs sont utilisés dans tous les circuits de conversion et de distribution d'énergie pour le filtrage, le stockage d'énergie et la stabilisation de la tension.

Leurs conditions de fonctionnement peuvent varier considérablement en fonction de leur position dans l'architecture électrique.

Les condensateurs du bus DC, par exemple, peuvent subir des ondulations de courant et des contraintes électriques liées au fonctionnement du convertisseur. Les condensateurs de sortie peuvent être exposés à différents profils d'ondulation et à des régimes transitoires.

Lors du choix des condensateurs pour les systèmes d'alimentation haute densité, les ingénieurs doivent évaluer :

• Tension et capacité nominales

• Capacité de courant d'ondulation

• Résistance série équivalente (ESR)

• Plage de températures de fonctionnement

• Durée de vie prévue dans des conditions électriques et thermiques réelles

• Dimensions mécaniques et exigences de montage

La température est un facteur important dans la durée de vie d'un condensateur, mais elle ne doit pas être évaluée indépendamment du courant d'ondulation et des contraintes de tension.

Un système de refroidissement qui abaisse la température des équipements environnants ne réduit pas nécessairement l'échauffement interne d'un condensateur dû aux ondulations de courant. Il convient de prendre en compte les pertes électriques et le chemin thermique propres au composant.

Connecteurs et interconnexions : élévation de température locale

Les systèmes d'IA haute puissance nécessitent des connexions électriques compactes au niveau des étagères d'alimentation, des baies de serveurs et des ensembles de distribution.

Les connecteurs, les bornes et les interfaces de barres omnibus doivent supporter le courant prévu tout en maintenant une résistance de contact et une stabilité mécanique acceptables.

Même lorsque la température globale de l'enceinte est maîtrisée, un échauffement local peut se produire au niveau des points de connexion électrique. La résistance de contact, l'intensité du courant, la section des conducteurs, la qualité de l'accouplement et les conditions d'installation influent toutes sur l'élévation de température.

Le choix des composants doit tenir compte des éléments suivants :

• Courant nominal dans les conditions d'installation réelles

• Résistance de contact et pertes de puissance associées

• Élévation de température au courant prévu

• Compatibilité des fils ou des barres omnibus

• rétention par vibration et mécanique

• exigences en matière d'isolation et de lignes de fuite

• conditions de protection et d'entretien de l'environnement

Dans les équipements refroidis par liquide, la position des connecteurs par rapport aux plaques froides, aux conduites de liquide de refroidissement et aux autres interfaces thermiques mérite également d'être prise en compte.

La présence de tuyaux ou de collecteurs de liquide de refroidissement à proximité des connexions électriques fait de l'agencement de l'installation et de l'accès pour l'entretien des éléments importants de l'étude de conception.

Les composants de protection doivent correspondre à leurs conditions de fonctionnement réelles.

Les fusibles et autres dispositifs de protection sont sélectionnés en fonction des exigences relatives aux défauts électriques, et non simplement en fonction de la puissance nominale d'un système.

Pour les applications CC haute puissance, les ingénieurs doivent vérifier la tension nominale, le courant continu, le pouvoir de coupure, les caractéristiques temps-courant et la coordination avec le système de protection global.

Les conditions thermiques influent également sur le fonctionnement des composants de protection. La température ambiante, la température de l'enceinte, la configuration de montage et la chaleur générée par les composants adjacents peuvent avoir une incidence sur la capacité de transport de courant applicable.

Un fusible choisi uniquement en fonction de son courant nominal peut ne pas convenir aux conditions d'installation réelles. Il convient de consulter les recommandations du fabricant concernant le déclassement et de prendre en compte l'environnement d'utilisation prévu.

Le même principe s'applique aux dispositifs de commutation et autres composants liés à la protection : les caractéristiques électriques, les conditions thermiques et les exigences d'installation doivent être considérées conjointement.

L'infrastructure de refroidissement engendre également des considérations en matière de conception électrique.

Le refroidissement liquide introduit des équipements et des interfaces supplémentaires dans l'environnement du centre de données.

Selon l'architecture, le système de refroidissement peut comprendre des unités de distribution de liquide de refroidissement (UDC), des pompes, des vannes, des capteurs, des dispositifs de surveillance et des circuits de commande.

Ces dispositifs créent des charges électriques auxiliaires et introduisent des exigences supplémentaires en matière d'alimentation électrique, de commutation, de détection et de communication.

Pour les concepteurs de circuits de puissance et de commande, plusieurs détails méritent une attention particulière :

• Besoins en énergie des pompes, des unités de distribution d'air et des équipements de contrôle

• Stabilité de l'alimentation pour les dispositifs de surveillance et de contrôle

• Interfaces de détection de température et de débit

• Communication entre les systèmes de contrôle du refroidissement et les systèmes de surveillance des installations

• protection électrique des charges auxiliaires

• Emplacement des équipements et accessibilité pour la maintenance

Les performances de refroidissement et les performances électriques sont étroitement liées. Un système de refroidissement nécessite une alimentation et une régulation fiables, tandis que les équipements électriques dépendent de conditions thermiques adéquates pour fonctionner dans leurs limites spécifiées.

Cette relation est particulièrement importante dans les installations d'IA à haute densité, où les infrastructures d'alimentation et de refroidissement doivent être planifiées ensemble plutôt que développées comme des systèmes complètement séparés.

Un examen pratique avant de finaliser la sélection des composants

Lors de l'évaluation des composants d'alimentation pour un centre de données d'IA refroidi par liquide, les ingénieurs doivent établir les conditions de fonctionnement réelles avant de comparer les références individuelles.

Une critique utile peut inclure les points suivants :

1. Identifiez l'architecture de refroidissement. Déterminez si le système utilise un refroidissement direct sur la puce, des échangeurs de chaleur à l'arrière, un refroidissement par immersion ou une combinaison de ces approches.

2. Cartographiez l'emplacement des composants. Identifiez les composants d'alimentation qui sont refroidis directement par liquide, indirectement par le système de refroidissement ou encore dépendants du flux d'air local.

3. Définir les conditions de fonctionnement électrique. Confirmer la tension, le courant continu, le courant de crête, la fréquence de commutation et la variation de charge prévue.

4. Évaluer les limites thermiques. Examiner la température de jonction, l'élévation de température, la résistance thermique et les exigences de réduction de puissance du fabricant.

5. Vérifier la compatibilité des matériaux et de l'environnement. Pour les équipements exposés à des fluides de refroidissement ou diélectriques, vérifier la compatibilité avec les matériaux et les conditions de fonctionnement concernés.

6. Vérifiez les connexions électriques. Contrôlez les caractéristiques des connecteurs, la résistance de contact, l'isolation, l'espace d'installation et l'élévation de température.

7. Tenir compte des équipements auxiliaires. Inclure les besoins en alimentation électrique, en contrôle, en détection et en communication de l'infrastructure de refroidissement.

8. Vérifiez l'assemblage complet. Les spécifications des composants doivent être évaluées dans le boîtier final et le système de refroidissement, et non uniquement selon les conditions des fiches techniques.

Ce procédé permet d'éviter une erreur de conception courante : supposer que la présence d'un refroidissement liquide résout automatiquement les limitations thermiques de l'ensemble du système d'alimentation.

Sélection des composants dans une conception intégrée d'alimentation et de refroidissement

Le refroidissement liquide devient un élément important de l'infrastructure des centres de données IA haute densité, mais il ne remplace pas la nécessité d'une ingénierie électrique et thermique rigoureuse.

Les semi-conducteurs, les inductances, les condensateurs, les connecteurs, les dispositifs de commutation et les composants de protection possèdent chacun des caractéristiques de fonctionnement différentes. Leur adéquation dépend de l'application électrique, des conditions thermiques locales, de l'environnement d'installation et de l'interaction avec les équipements environnants.

À mesure que les systèmes de conversion de puissance et de refroidissement s'intègrent plus étroitement, le choix des composants doit refléter les conditions réelles à chaque étape de la chaîne de distribution d'énergie.

ESHINE propose des services d'approvisionnement et de sélection technique de composants électroniques pour l'électronique de puissance et les applications énergétiques. Pour les projets d'alimentation des serveurs d'IA et des centres de données, les exigences en matière de composants peuvent être évaluées en fonction des paramètres électriques, des conditions thermiques, des contraintes d'encapsulation et des besoins de l'application.

Le partage de la fonction prévue du circuit, des paramètres de fonctionnement et de l'environnement d'installation permet de restreindre les options de composants appropriées à un examen technique plus approfondi.