AC'nin DC'deki Topology'ye Eleştirel Rolü Data Center Verimliliği

Veri merkezleri, modern dijital hizmetlerin fiziksel temeli oluşturur, bulut bilişiminden ve işletme uygulamalarına ve yapay zekaya akış sağlar. Küresel veri trafiği dalgalanmaları olarak, bu nedenle bu tesislerin enerji talebidir. Güç dönüşüm sistemleri, özellikle AC to DC dönüştürücüler, özellikle de veri merkezi altyapıya sahiptir, ızgara topolojiyi dönüştürmek, bu nedenle hem finansal hem de çevresel performansı etkileyen kritik bir mühendislik kararıdır.

Bu makale, veri merkezlerinde kullanılan en yaygın AC dönüştürücü topolojilerin ayrıntılı bir karşılaştırmasını sağlar, verimlilik özelliklerini, operasyonel ticaret-offlarını inceler ve farklı dağıtım senaryoları için uygunluğunu sağlar.Bu farklılıklar altyapı tasarımcıları ve operatörlerin uzun vadeli enerji tasarrufları ve güvenilirlik ile ilgili seçimleri anlamasını sağlar.

DC Converter Topolojileri AC'yi Anlamak

DC dönüştürücüye bir AC, genellikle bir retifier veya güç tedarik ünitesi (PSU), bu dönüşüm verimliliğini, güç faktörünü, toplam harmonik bozulma (THD) ve güç yoğunluğuna sahip olmak için% 80'den fazla bir şekilde, yüksekoloji için elektrik yarı iletkenleri ve kontrol devreleri olarak adlandırılır.

Veri merkezlerinde, DC dönüştürücülere AC öncelikle iki rolde bulunur: bireysel sunucu PSUs olarak ve DC dağıtım sistemleri için merkezileştirilmiş retifiers olarak (48V veya 380V DC mimarileri gibi) Farklı yük koşulları arasındaki verimlilik profili -idle, tipik ve zirve - özellikle de önemlidir, çünkü veri merkezi ekipman nadiren geniş bir yük arasında yüksek verimlilik sağlayan en iyi şekilde çalışır.

Yaygın Topolojilerin Arasındaki Karşılaştırma

Aşağıdaki bölümler, AC to DC dönüştürücü topolojilerinin dört ana kategorisini veri merkezlerinde kullanılan inceler: pasif retifiers, kontrollü retifiers, anahtarlamalar, güç malzemeleri (kesinmeyen ve konsolid olmayan) ve aktif ön uç dönüştürücüler.Her biri verimlilik, karmaşıklık, maliyet ve pratik uygulama kabiliyeti açısından değerlendirilir.

Pasif Rectifiers (Diode Bridges)

DC dönüştürücü topolojiye en basit AC, diyotları ve bir yığın kapasitör filtre kullanarak bir köprü reaktifdir.Bu, zayıf bir güç faktörü (tipik olarak 0,5-0.6) güç faktörü düzeltmesi olmadan (PFC), bu dönüştürücüler, büyük verimsiz bir şekilde, büyük kapasitör girişinin zayıf bir şekilde ortaya çıkmasına neden olur.

Kontrollü Rectifiers (SCR ve Thyristor Based)

Kontrollü retifiers, silikon kontrollü retifiers (SCRs) veya hisristors in diyotlar yerine, çıkış gerilimi düzenlemeyi gerektiren faz-küre kontrolü sağlar. Bu, yüksek çözünürlükte zararlar ile karşılaştırıldığında güç faktörü geliştirir ve SCRs'te efficilere ulaşır. Kontrollü redüksiyonlar hala bazı eski veya ağır sanayi veri merkezleri nedeniyle daha yüksek geçiş kayıplarına sahiptir, ancak büyük ölçüde yüksek verimsiz uygulamaları gerektirir.

Güç malzemeleri (PFC + DC-DC Converter)

Bugünün standart sunucusu PSU topoloji iki aşamalı bir tasarımdır: geniş bir yük aralığı (% 100) tarafından takip edilen bir güç faktörü düzeltmesi (tipik olarak bir faz-dönüşümlü tam köprü veya LLC resonantatörü) Bu yaklaşım,% 96'nın üzerinde efforitelere ulaşır ve geniş bir yük aralığı (% 100-%) daha yüksek güç yoğunluğuna olanak sağlar.

  • [FONT=0) PFC + LLC Resonant paketi: Çok yüksek verimlilik, özellikle orta yüksek yüklerde. LLC dönüştürücü sıfır yük (ZVS) ve sıfır-şimdilik geçiş (ZCS) geniş bir aralığı üzerinde, mini geçiş kayıpları elde eder.
  • [[Döntilmiş PFC[[Dönemli: 1)[Dönetici: Mevcut dalgalanmaları azaltmak ve ışık yüklerinde verimliliği artırmak için paralel olarak birden fazla güçlendirme aşaması kullanın.
  • [FONT:0]Bridgeless PFC[[DÜDÜT:1)[DÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜŞÜNÜ: 1).

Bu topolojiler veri merkezi güç malzemeleri ve merkezileştirilmiş retifiers için iyi uygundur. birincil dezavantajları daha yüksek bileşen say, karmaşıklık ve termal strese duyarlıdır. Ancak, yarı iletken cihazlardaki ilerlemeler ve SiC diyotları daha gelişmiş verimlilik ve güvenilirliklere sahiptir.

Aktif Front-Bit (AFE) Paketleri

Aktif ön uç dönüştürücüler, yüksek verimlilik (toplayıcılar veya MOSFETs) ile giriş tarafında, genellikle üç fazlı gerilim-kaynak dönüştürücü topolojide, iki yönlü güç akışına ve yakınlığa sahip güç faktörüne sahiptir. - yüksek verimlilik sağlarlar (toplayıcılar% 98'i tam yükte tutarlar) ve yüksek gerilim kontrollerinde bile mükemmel bir şekilde kontrol sağlarlar.

Gerçek Dünya Açık Verimliliği Etkileyen Faktörler

Topoloji performansı ile karşılaştırma, veri merkezi operasyonda gerçek verimliliği etkileyen çeşitli ilgili faktörler hakkında anlayış gerektirir.

Yük profili ve Dinamik Yanıt

Veri merkezi yükler önemli ölçüde değişebilir - düşük boyutlu dönemlerde ve yüksek talep sırasındaki artışlar sırasında sunucu boş zamanlar ve artışlar. Tam yükte başarı elde eden bir topoloji, yüksek verimlilik sağlamak için ışık yükü altında kesintiye uğrayabilir. Örneğin, basit bir LLC dönüştürücü sıfır gerilimi kaybedebilir.

Güç Faktörü ve Harmonik Distortion

Zavallı güç faktörü, Avrupa Birliği'nin IEC 61000-3-2 gibi belirgin güç talebi ve dağıtım kayıplarını artırır. Düşük THD, yüksek bozulmalara neden olur.

Termal Yönetim ve Soğutma

Yüksek verimlilik, yükleme gerektiren daha az ısı anlamına gelir, soğutma sistemi enerji tüketimi azaltılır - veri merkezinin önemli bir bileşeni. 500 kW toplam yükten tasarruf edilen her bir oran, tesisin güç kullanımı etkinliğine bağlı olarak soğutma talep edebilir (PUE).

Kalite ve Güvenilirlik

Verimlilik aynı zamanda bileşen seçimi ile de etkilenmektedir. Yüksek kaliteli manyetik çekirdekler (örneğin, morf veya nanokristal), düşük kapasiteli dönüştürücüler ve gelişmiş yarı iletkenler (SiC, GaN) verileri optimize etmek için daha karmaşık kontrol elektroniklerini gerektirir; Bir dönüştürücü başarısızlık, daha az stresli bileşenlerle (örneğin, yumuşak geçişli dönüştürücüler) genellikle daha uzun hizmet yaşamı sunar.

Data Center Operations için Implications

DC dönüştürücü topolojiye doğru AC seçmek, sermaye harcamalarında (CapEx) ve operasyonel harcamalar (OpEx) üzerinde kesintiye yol açıyor ve daha düşük verimlilikleri daha yüksek elektrik faturalarına ve daha büyük soğutma altyapısına yol açıyor.

Örneğin,% 90 verimli bir PSU'dan% 96 verimli bir modele yükseltme, sistem kayıplarının% 60'a indirilmesi, bu gelişmenin yalnızca güç tedarik kayıplarında yaklaşık 600 kW tasarruf sağlar, elektrik oranlarına bağlı olarak binlerce dolar. Ek tasarruflar azaltılabilir ve daha düşük UPS boyutlandırma veri merkezlerinin şimdi en az 80 PLUS Platinum (89-% 90-% 90-% 90-96) veya Titanyum (90-96) sertifikalı PSU'lar için daha fazla belirtilmektedir.

Sürdürülebilirlik hedefleri daha fazla topoloji seçimi sağlar. Yüksek verimli dönüştürücüler, karbon emisyonlarını doğrudan daha az enerji tüketerek azaltır ve dolaylı olarak atık ısısını azaltır. Net-zero karbon veya çevresel düzenlemelere uyum sağlamak için en etkili topolojileri genellikle mevcut, örneğin geniş bantgap yarı iletkenleri kullananlar gibi.

Opera Topolojilerdeki Trendleri Gelişen Trendler

Güç elektroniklerindeki ilerlemeler AC'nin DC dönüşüm verimliliğine olan sınırlarını zorlamaya devam ediyor. Veri merkezleriyle ilgili temel gelişmeler şunları içerir:

  • [FONT:0)Wide-Bandgap yarı iletkenleri (SiC ve GaN)[FN) [SiC veya GaN) Lab.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.S.
  • [FONT:0) Dijital Kontrol ve Adaptive Algorithms[[DFLT:1): Dijital sinyal işlemcileri (DSPs) ve alan programlanabilir kapı dizileri (FPGAs) karmaşık kontrol programları en uygun yörünge kontrolü, adaptif frekans ölçekleme ve gerçek zamanlı verimlilik optimizasyonu gibi karmaşık kontroller sağlar. Dijital kontrol aynı zamanda hata algılama ve tahmin edilebilir bakım yoluyla da güvenilirliği artırabilir.
  • [FONT:0]Modular ve Scalable Architectures[Dönetici: Paralel olarak sıcak ekranlı reaktif modüller kolayca ölçeklendirme ve kırmızı yedeklemelere izin veriyor. Her modülü belirli bir yük aralığı için optimize edilebilir ve sistem gerekli olduğu gibi, yüksek genel verimlilik için modern DC güç santrallerinde yaygın olarak kullanılabilir.
  • [FONT:0) Enerji Depolama ile ilgili olarak (): Bazı topolojiler şimdi batarya şarj/diskarging'ı UPS sistemlerinde yönetmek için iki yönlü kapasiteye sahiptir. Aktif ön uç dönüştürücüler özellikle doğal çift yönlü güç akışı nedeniyle bu tür uygulamalar için uygundur.

[FONT:0)Gallium nitride güç ICs[DD: 1) zaten ticari 3 kW ve 6 kW sunucu PSU'da kullanılıyor, geleneksel tasarımlardan daha az aşamaya ulaşabiliyorlar. Bu teknolojiler olgun ve maliyetler düşüşe göre, muhtemelen önümüzdeki nesil veri merkezinde standart hale gelecektir.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

AC'nin DC dönüştürücülerinin veri merkezlerindeki verimliliği, yüksek lisanslamalı güç malzemelerinin PFC ile yüksek verimlilik ve güç kalitesi sunar, bunları en uygun şekilde uygun olmayan sistemler için uygun olmayan hale getirir. Kontrollü retifiers, modern geçiş tasarımlarının arkasındaki düşük maliyetlidir.İki aşamalı geçiş gücü malzemeleri PFC ile birlikte ve resonant DC-DC dönüşümleri yüksek verimlilik (94-% 97) ve mükemmel güç faktörü sunar.

Uygun topolojiyi seçmek, belirli yük profili, verimlilik gereksinimleri, toplam mülk maliyeti ve sürdürülebilirlik hedefleri için sürekli olarak büyümeye devam ediyor.Veri merkezleri gelişmiş topolojilere yatırım yapmak - özellikle de geniş bant genişliği yarı iletkenleri ve dijital kontrolleri değerlendirmek - gelecekteki güç dönüşüm sistemlerini optimize etmek için ortaya çıkan teknolojiler hakkında bilgi sahibi olmak.