Von E-Autos zu KI-Servern: Packaging-Konzepte für Leistungsmodule

Ab 2027 werden erste IT-Racks in Serverfarmen mit einer Leistung von bis zu 1 Megawatt ausgestattet werden – ein wichtiger Schritt dafür ist die Umstellung des Versorgungsbusses in den Racks auf 800 Volt. Der stark wachsende Energiebedarf KI-basierter Anwendungen rückt damit die Leistungselektronik zunehmend in den Fokus.

Im Vorfeld der PCIM 2026 sprach RealIZM mit Prof. Eckart Hoene über technologische Anforderungen, Packaging-Konzepte und Entwicklungsherausforderungen für Leistungselektronik in KI-Rechenzentren.

Effizienzgewinn: Warum 99 Prozent Wirkungsgrad bei Leistungsmodulen zählen

Die Dekarbonisierung und Elektrifizierung nahezu aller Industriebereiche treiben sowohl die Weiterentwicklung als auch Einsatzmöglichkeiten der Leistungselektronik voran. Weitere Einflussfaktoren sind der wachsende Bedarf an hohen Stückzahlen und der Erreichung maximaler Wirkungsgrade sowie die Reduktion von Kosten und Ressourcenverbrauch.

Im Zentrum steht die Frage: Wie lässt sich kostengünstig ein Wirkungsgrad von 99 Prozent erreichen? Die Verbesserung des Wirkungsgrads um 1 Prozentpunkt spart pro Gerät über dessen Lebensdauer bis zu 10.000 Euro an Stromkosten. Bei einer Million Geräte sind das Einsparungen in Milliardenhöhe. Diese Aussicht erklärt, warum die Industrie massiv in die Optimierung von Wirkungsgraden für Zukunftstechnologien mit großen Stückzahlen investiert und Forschenden wie Professor Eckart Hoene viel Raum für Entwicklungsleistungen offensteht.

Kompakte Leistungsmodule: Von Automotive-Antrieben zu KI-Servern

Die Arbeitsgruppe »Leistungselektronik« am Fraunhofer IZM entwickelt seit über 20 Jahren hocheffiziente Leistungsmodule für Solar- und Automotive-Antriebsumrichter. Laut Professor Hoene stehen dabei zwei Ziele im Vordergrund: »Unser Beitrag ist, das Optimum an Schaltleistung aus Halbleitern herauszuholen. Daher gleichen wir unsere Entwürfe mit dem aktuellen Entwicklungsstand der Induktivitäten und Kondensatoren ab. Dank dieses Ansatzes können wir deutlich kleinere Leistungsmodule realisieren als bisher üblich.«

Aktuell steigt die Nachfrage nach Leistungselektronik für moderne Serverfarmen. Am Fraunhofer IZM wurden bereits mehrere Aufträge für die DC-DC-Wandler für Prozessoren realisiert, bei denen magnetische und thermische Verbesserungen sowie fertigungstechnische Anpassungen Verluste minimieren und die Wärmeabfuhr maximieren. »Die technologischen Anforderungen an Leistungsmodule für KI-Rechenzentren sind härter als im Automotive-Bereich. Die Module müssen kleiner sein und auf engstem Raum in einem Server-Rack installiert werden,« betont Professor Hoene.

Hochleistungs-Spannungswandlung von 380 Kilowatt auf 0,9 Volt

Durch Anwendungen der Künstlichen Intelligenz steigt der Bedarf an Rechenleistungen in Datenzentren drastisch. Eckart Hoene erläutert dies an einem Beispiel: »Ein moderner Prozessor benötigt heute rund 1.000 Ampere bei niedriger Spannung (0,9 Volt). In einem 19‘‘-Rack mit 44 mm-Einschüben – mit jeweils 20 Prozessoren pro Einschub – ergibt das etwa eine Gesamtleistung von 500 Kilowatt. Diese 500 Kilowatt auf einer Grundfläche von 50 x 60 Zentimetern und 2 Metern Höhe entsprechen einer Energiedichte vergleichbar mit 50 Saunen. Die Anforderungen an Stromzufuhr und Kühlung sind enorm. Zukünftig sind sogar 2.000 bis 4.000 Ampere pro Prozessor geplant. Unser Arbeitsschwerpunkt liegt auf der zuverlässigen, hocheffizienten Zufuhr dieser enormen Leistungen.«

Hyperscaler beanspruchen heute Stromleistungen im Bereich von mehreren hundert Megawatt bis zu Gigawatt – Tendenz steigend. Sie werden daher an das Höchstspannungsnetz angeschlossen. Um die Stromzufuhr zuverlässig bis zum Prozessor sicherzustellen, erfolgt eine mehrstufige Spannungsumwandlung.

Zunächst wird die Spannung mit großen Transformatoren auf 380 Volt Drehstrom – Starkstrom – umgesetzt. Dann wird die 3-Phasen-Wechselspannung in 800 Volt Gleichspannung (DC) umgewandelt. Um die hohen Leistungen – 500 Kilowatt effizient übertragen zu können, reicht die bisherige 48-Volt-Versorgung in den Serverracks nicht mehr aus. Der Trend geht daher zu 800-Volt Systemen. Professor Hoene und sein Team sind beauftragt, dafür benötigte 500 Kilowatt-PFC-Module (Drosseln) und innovative Leistungselektronik zu entwickeln.

Vereinfachte Darstellung der mehrstufigen Spannungsumwandlung für die Stromzufuhr vom Höchstspannungsnetz bis zum Prozessor im Rechenzentrum

Strom und Kühlung im 2 Millimeter-Abstand: Point-of-Load Converter

In einem weiteren Projekt bauen die Forschenden einen thermisch leitenden Point-of-Load-Converter auf. Dieser ist so ausgelegt, dass er direkt unter dem Motherboard in nur 2 bis 4 Millimetern Abstand zum Prozessor fünf thermisch leitfähige DC-DC-Wandler mit jeweils 200 Ampere pro Quadratzentimeter Stromdichte integriert.

Im Verbund sollen sie die benötigten 1.000 Ampere bei minimalen Übertragungsverlusten liefern. »Der Wandler kombiniert Stromzufuhr und Kühlung in einem Bauteil – eine neue Designherausforderung, da bei hoher Stromdichte gleichzeitig eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit erforderlich ist,« erläutert Professor Hoene.

Kundenspezifisch und agil: Wissenscluster »Leistungselektronik« am Fraunhofer IZM

Das Fraunhofer IZM verbindet Technologieoffenheit mit enger Verzahnung von Entwicklung und Fertigung. Am Institut sind alle Electronic Packaging-Technologien – u.a. Embedding, Flip Chip, Molding bis zur 3D-Integration – verfügbar. Schnelle Iterationen von der Idee über Prototypen bis zur Fertigung von Kleinserien sind dank direktem Zugang zum Maschinenpark möglich. Materialien, Bauteilgrößen und Fertigungsverfahren können exakt nach Kundenspezifikationen ausgewählt werden. Ein interdisziplinäres Team aus Packaging-Spezialisten und Fertigungsexperten sichert den kontinuierlichen Austausch in dem Wissenscluster »Leistungselektronik« und ermöglicht so, dass stets technisch Machbare zu realisieren.

»Unser Vorteil ist, dass wir nicht an eine Technologie gebunden sind, sondern die optimale Lösung für jede Anforderung finden und umsetzen können,« fasst Professor Hoene das Leistungsspektrum seiner Arbeitsgruppe zusammen.

Wer mehr über die aktuellen Entwicklungsprojekte zu Leistungsmodulen für Rechenzentren und Antriebsumrichter für Automotive erfahren möchte und einen persönlichen Fachaustausch mit den Experten für Leistungselektronik des Fraunhofer IZM wünscht, hat im Juni 2026 auf der PCIM in Nürnberg dazu die Gelegenheit.

Halle 6, Stand 260