NEUE LEGIERUNGEN FÜR DIE LEISTUNGSELEKTRONIK - Induktoren für das KI-Zeitalter

Mit dem rasanten Fortschritt im Bereich der Künstlichen Intelligenz (KI) steigen auch die Anforderungen an die Energieversorgung moderner Rechenzentren und KI-Systeme erheblich. KI-Server verbrauchen heute bis zu dreimal mehr Energie als herkömmliche Systeme. Der Energiebedarf von Rechenzentren steigt exponentiell und macht bereits über 2 Prozent des globalen Stromverbrauchs aus. Einzelne Hyperscale-Rechenzentren haben Gesamtleistungsaufnahme von > 20 MW. In den Zwischenkreisspanunnungsebenen  und den Verteilerebenen zur Versorgung der Hochleistungskomponenten wie CPUs, GPUs und FPGAs werden heute Ströme von weit über 1.000 Ampere benötigt, während gleichzeitig kompakte Bauformen und höchste Energieeffizienz gefordert sind. Herkömmliche magnetische Werkstoffe stoßen hierbei zunehmend an ihre Grenzen. Kompakte, hocheffiziente Induktoren, die extreme Ströme und hohe Schaltfrequenzen problemlos bewältigen, stehen im Fokus aktueller technischer Entwicklungen.

Der Bedarf an höherer Rechenleistung erfordert elektronische Komponenten mit besonderen Eigenschaften. Eine hohe Leistung bedeutet jedoch auch, dass sich alle parasitären Verluste in den Bauteilen erhöhen, sodass kapazitive und magnetische Bauteile mit extrem geringen Verlusten benötigt werden. Gleichzeitig müssen diese Komponenten unter rauen Bedingungen eine hohe Zuverlässigkeit aufweisen. Da zur Unterstützung der KI-Prozessoren eine Vielzahl an Komponenten benötigt werden, ist auch eine Miniaturisierung der Komponenten unerlässlich. Aber auch in Hochleistungsanwendungen im Industriellen Umfeld oder im Bereich der Bahntechnik sind Bauelemente gefordert mit extrem geringen Verlusten. Typischerweise sind hier gleiche Spannungsebenen vorhanden wie 48V, 400V und 800V.

Für eine effiziente Leistung von Induktoren in elektronischen Geräten sind eine hohe Sättigungsmagnetflussdichte (B_S) und eine niedrige Koerzitivfeldstärke (H_C) erforderlich. Ein hoher B_S-Wert ermöglicht es dem Induktor, stärkere Magnetfelder zu bewältigen, ohne in die Sättigung zu geraten. Dadurch kann er höhere Ströme übertragen und mehr Energie speichern. Dies ist besonders wichtig für Anwendungen, die kompakte Designs mit hoher Leistung erfordern, beispielsweise KI-Systeme. Ein niedriger H_C-Wert bedeutet, dass das Material weniger Energie zum Magnetisieren und Entmagnetisieren benötigt. Dadurch werden Energieverluste verringert und der Gesamtwirkungsgrad verbessert. Herkömmliche Magnetkernmaterialien wie Mn/Ni-Zn-Ferrite oder Fe-Si-Legierungen werden zwar seit Langem für diese Anwendungen eingesetzt, erreichen aber oft nicht die richtige Balance zwischen einem hohen B_S-Wert und einem niedrigen H_C-Wert.

Formbarkeit, Integration und AC-Verluste im Hochfrequenzbetrieb

Die Kombination aus hoher Sättigungsflussdichte und niedrigen Kernverlusten ist seit Jahren ein Ziel der Entwicklung magnetischer Werkstoffe. Besonders im Fokus stehen dabei nanokristalline Fe-B-P-Cu-Legierungen (Abb. 1). 

Für das neue Material Nanomet ist eine Fe-basierte Legierung die Basis. Die Fe-B-P-Cu-Legierung ergibt durch schnelles Abschrecken ein feines, sphärisches Pulver. Mithilfe des Heißpressverfahrens lässt sich die Legierung in komplexe 3D-Formen überführen. Dies reduziert Streufelder und ermöglicht eine optimale Anpassung an Leiterplattenlayouts. Die sphärische Morphologie der Pulverteilchen fördert eine dichte und gleichmäßige Packung. Dadurch entstehen Kerne mit gleichmäßiger Magnetfeldverteilung, reduzierten Hotspots und optimierter magnetischer Flussführung. Nach gezieltem Glühen bildet sich eine nanokristalline Struktur mit optimierten magnetischen Eigenschaften.

Das Ergebnis sind Magnetkerne mit einer Sättigungsflussdichte von 1,55 T in Kombination mit einer Koerzitivfeldstärke von nur 23 A/m (Tab. 1). Diese Materialkombination war mit klassischen Ferriten oder Fe-Si-Legierungen bislang nicht erzielbar. Zum Vergleich: Fe-Si-Cr-basierte Pulverkernmaterialien erreichen lediglich B_S = 1,28 T und H_C = 720 A/m.

Auch unter Hochfrequenzbedingungen zeigt sich das Potenzial des Materials deutlich. Bei 1 MHz liegen die AC-Verluste der neuen Kerne bis zu 4,5-fach unter jenen konventioneller metallischer Kompositkerne und nur etwa 50 mW über klassischen Ferriten. Die Legierung zeigt zudem ein „Soft-Saturating“-Verhalten, was die Energieeffizienz weiter erhöht. 

Tabelle 1: Vergleich der magnetischen Kenngrößen (Quelle: Yageo Group)

Buck-Converter in der Anwendung

Wie sich diese Materialeigenschaften konkret in der Anwendung auswirken, zeigt ein typisches Beispiel aus der Spannungswandlung: Ein Buck-Converter, der eine Eingangsspannung von 6 V auf 1,8 V bei 1 MHz Taktfrequenz konvertiert (Abb. 2). In dieser Konfiguration kommt ein 70-nH-Induktor auf Basis der neuen FeBPCu-Legierung zum Einsatz. Dieser erreicht eine magnetische Sättigung oberhalb von 160 A und dies selbst bei erhöhten Temperaturen. Zum Vergleich: Ein Ferritkern gleicher Größe zeigt unter denselben Bedingungen ein Sättigungsverhalten bereits bei rund 50 A (bei 100 °C).

Die neue Legierung ermöglicht eine um 40 Prozent höhere Energiepufferung bei identischem Bauraum. Die Formel zur Berechnung hierzu:

E = 0,5 * L * I²; mit E = Energie (J), L = Induktivität (H) und I = Stromstärke (A)

Diese Eigenschaft erlaubt es, kleinere Spulen für gleiche Leistung zu verwenden oder bei gegebenem Volumen die Leistungsdichte weiter zu steigern.

Darüber hinaus zeigt der Induktor ein stabiles Verhalten über einen weiten Temperaturbereich hinweg und damit einen entscheidenden Vorteil in thermisch anspruchsvollen Anwendungen wie GPU-Stromversorgungen und anderen Hochleistungsstromversorgungen. Die verbesserte Strombelastbarkeit führt zu weniger Parallelschaltungen und damit zu einem vereinfachten Layout, einem geringeren Bauteilaufwand und potenziell niedrigeren Systemkosten.

Fazit

Die Kombination aus hoher magnetischer Leistungsfähigkeit, geringer Verlustleistung und thermomechanischer Formbarkeit macht die neue nanokristalline Fe-Legierung zu einem idealen Werkstoff für die KI-Leistungselektronik der nächsten Generation. Insbesondere für CPU-/GPU-Versorgungsanwendungen und Hochleistungsstromversorgungen kann so eine signifikante Effizienzsteigerung erzielt und ein entscheidender Beitrag zur Reduzierung des CO₂-Fußabdrucks geleistet werden.

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