Broschüre
Auswahlhilfe für Flex-Leistungsmodule
Das Ausmaß der weltweiten Datenverarbeitung ist immens; Schätzungen zufolge verbraucht sie mittlerweile rund 11.340 Tonnen der globalen Energieproduktion. [1]. Angetrieben wird dies durch die rasant steigende Internetnutzung, das Internet der Dinge und insbesondere das Bitcoin-Mining, das jährlich fast 150 Terawattstunden verbraucht – mehr als Schweden.
Die gesamte Energie wird in Serverracks und den AC/DC- und DC/DC-Wandlern, die die Stromschienen bereitstellen, verbraucht und muss abgeführt werden. Nicht nur der Verbrauch, sondern auch die Leistungsdichte ist gestiegen – der Druck, weniger Platz zu beanspruchen, um die Produktivität zu steigern, ist enorm, was die Wärmeabfuhr zusätzlich erschwert. Die derzeit beste Lösung ist die Immersionskühlung – die Elektronik wird in eine Flüssigkeit eingetaucht, die die Wärme zu einem Wärmetauscher transportiert. Dieses Verfahren wird seit vielen Jahren in anspruchsvollen Anwendungen wie der Luft- und Raumfahrt eingesetzt und gewinnt nun auch in Anwendungen mit Komponenten in Industriequalität an Bedeutung, beispielsweise in Rechenzentren, Batterien und Antriebssträngen für Elektrofahrzeuge sowie im medizinischen Bereich. Es bestehen jedoch berechtigte Bedenken hinsichtlich der Kompatibilität der verfügbaren Flüssigkeiten mit den in Massenprodukten wie DC/DC-Wandlern verwendeten Materialien.
Grundlagen der Immersionskühlung
Die Immersionskühlung erfolgt typischerweise nach einem von zwei Verfahren: ‘Einphasenkühlung’, bei der die Flüssigkeit mittels einer Pumpe um die Elektronik und durch einen Wärmetauscher zirkuliert wird, um die Wärmeenergie abzuführen, oder ‘Zweiphasenkühlung’, bei der die Wärme der Elektronik die Flüssigkeit quasi zum Sieden bringt und die Hardware durch Verdampfungswärme sowie durch Wärmeleitung und Konvektion kühlt. Der entstehende Dampf kondensiert an einem Wärmetauscher und wird in den Flüssigkeitsbehälter zurückgeführt. Die Wahl der verwendeten Flüssigkeit ist entscheidend, da bestimmte Eigenschaften erforderlich sind.
- Gute Wärmeleitfähigkeit zur Wärmeableitung
- Hohe Durchschlagsfestigkeit zur Belastbarkeit gegenüber Schaltungsspannungen
- Hoher spezifischer Widerstand zur Minimierung von Leckströmen
- Nutzbarer Arbeitstemperaturbereich
- Geringe Umweltbelastung
- Benutzerfreundlichkeit
- Niedrige Dielektrizitätskonstante, um einen übermäßigen Anstieg der Kapazität zu vermeiden
Dieser letzte Parameter ist wichtig, da jede Flüssigkeit eine höhere Dielektrizitätskonstante als Luft aufweist. Dies erhöht direkt und proportional die Streukapazität, was zu höheren elektrischen Verlusten und sogar zu einem instabilen Betrieb elektronischer Bauteile führen kann. Beispielsweise liegt die Dielektrizitätskonstante von Luft nahe bei 1,0 und die von reinem Wasser bei etwa 80. Wasser wäre ansonsten ein guter Kandidat, doch wenn es eine vernachlässigbare Streukapazität von 2 pF auf 160 pF erhöht, kann dies in Hochgeschwindigkeitsschaltungen negative Auswirkungen haben. Auch der relativ hohe Gefrierpunkt von Wasser stellt ein potenzielles Problem dar. Daher ist die Verwendung von Wasser auf Wärmetauscher beschränkt, bei denen die Flüssigkeit nicht direkt mit der Elektronik in Kontakt kommt.
Flüssigkeitsauswahl
Es wurden geeignete Flüssigkeiten mit idealeren Eigenschaften entwickelt, die sich unter den gängigen Typen in zwei Kategorien einteilen lassen. Diese basieren auf der Hydrofluorether-Chemie (HFE) und werden unter der Marke Novec vertrieben.TM von 3MTM und im Bereich der Perfluorcarbon-(PFC)-Chemie, die unter der Marke Fluorinert vertrieben wird.TM von 3MTM. Nachfolgend werden einige Haupteigenschaften zweier gängiger Varianten der Flüssigkeiten zusammengefasst.
Die Wahl zwischen den beiden dargestellten Flüssigkeiten hängt von der angestrebten Kühlmethode ab; der höhere Siedepunkt von NovecTM 7100 ermöglicht die einphasige Immersionskühlung bei höheren Temperaturen mit niedrigem GWP, jedoch kann bei Anwendungen, bei denen Dielektrizitätskonstante, spezifischer Widerstand oder Durchschlagsfestigkeit kritisch sind, der Einsatz von Fluorinert erforderlich sein.TM FC72, jedoch werden aufgrund des hohen GWP-Wertes Vorkehrungen getroffen, um mögliche Dampfemissionen zu vermeiden. Beide Materialien werden als weitgehend inert beworben, der Hersteller empfiehlt jedoch Kompatibilitätstests, insbesondere mit Novec.TM, das eine etwas höhere Löslichkeitseigenschaft aufweist.
Praktische Kompatibilitätstests
Flex Power Modules hat sich verpflichtet, die beiden beschriebenen Flüssigkeiten unter Beratung und Anleitung des Flüssigkeitslieferanten 3M zu bewerten.TM, mit zwei Flex Leistungsmodulprodukten, die BMR490 und BMR491. Beide sind grundplattengekühlte Viertel-Brick-DC/DC-Wandler; die BMR490 hat eine Nennleistung von 1300 W bei 48 V Eingangsspannung und 12 V Ausgangsspannung und die BMR491 ist ähnlich, kann aber eine Spitzenleistung von bis zu 2450 W liefern. Es wurde das Prüfverfahren ASTM G120-15 angewendet, welches die ‘Standardpraxis zur Bestimmung löslicher Restverunreinigungen’ definiert.
Die DC/DC-Wandler wurden in Flachkolben mit einem auf 75 °C eingestellten Magnetrührer eingetaucht, sodass beide Flüssigkeiten kontinuierlich siedeten. Die Norm sieht eine Testdauer von weniger als einem Tag vor, Flex Power Modules ließ den Test jedoch 49 Tage lang laufen. Während des Tests wurde die Temperatur für mehrere Stunden auf 100 °C erhöht, um den Siedeeffekt zu verstärken und die Belastung zu erhöhen.
Nach den Tests wurden die Module auf ihre Funktionsfähigkeit geprüft und inspiziert. Dabei zeigten sich keine sichtbaren Schäden. Von besonderem Interesse war die Leistungsfähigkeit des Silikonklebers, mit dem die magnetischen Bauteile des Transformators und der Ausgangsdrossel auf der Leiterplatte des Moduls befestigt waren. Um den Zeitpunkt des Versagens der Verbindungen zu ermitteln, wurden mechanische Drucktests durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten 402 Newton für den Transformator und 144 Newton für die Drossel – Werte weit über dem zulässigen Mindestwert. Daher wurde festgestellt, dass der Kleber in keiner Weise beeinträchtigt war.
Eine genaue visuelle Inspektion der Klebeverbindungen folgte, wobei keine Anzeichen einer chemischen Reaktion zwischen dem Klebstoff und der Flüssigkeit erkennbar waren. Es zeigte sich eine gute Haftung zwischen dem Klebstoff, dem Ferrit und der Leiterplatte (siehe Abbildung 1).
Abbildung 1: Klebeverbindungen des DC/DC-Moduls nach Belastungstests durch Immersionskühlung
Die getesteten DC/DC-Leistungsmodule des Typs Flex sind für den Einsatz in Tauchkühlungsanwendungen zugelassen.
Die von Flex Power Modules mit den ausgewählten Flüssigkeiten durchgeführten Tests haben eindeutig gezeigt, dass es keine Kompatibilitätsprobleme zwischen den Modulmaterialien und den Flüssigkeiten gibt, selbst über längere Zeiträume unter hoher Belastung. Flex Power Modules kann daher mit Zuversicht sagen, dass ihre BMR490 und BMR491 Die Module können mit Novec verwendet werden.TM 7100 und FluorinertTM FC72-Flüssigkeiten werden in Immersionskühlanwendungen eingesetzt. Es wird erwartet, dass ähnliche Flex-Leistungsmodule und ähnliche Flüssigkeiten nach entsprechenden Tests ebenfalls kompatibel sind.
Notiz
Seit dem Verfassen dieses Beitrags hat 3M Folgendes getan: angekündigt Sie werden die Kühlmittel Novec und Fluorinert aufgrund des Vorhandenseins sogenannter “Ewigkeitschemikalien” – per- und polyfluorierter Alkylsubstanzen (PFAS) – bis Ende 2025 einstellen. Flex Power Modules untersucht derzeit alternative Kühlflüssigkeiten, die diese Substanzen nicht enthalten.
Referenzen
[1] https://energyinnovation.org/2020/03/17/how-much-energy-do-data-centers-really-use/
