Новые архитектуры электропитания с интегрированными системами управления имеют решающее значение для управления колоссальными энергетическими потребностями ИИ в центрах обработки данных.

От облачных вычислений до управления базами данных — центры обработки данных жизненно важны для таких приложений, как облачные сервисы, электронная коммерция, системы управления взаимоотношениями с клиентами, онлайн-развлечения, игры и виртуальный банкинг.

В результате этого во всем мире наблюдается стремительный рост центров обработки данных, что приводит к соответствующему росту общего потребления электроэнергии.

Искусственный интеллект, использующий вычислительную мощность передовых микропроцессоров и графических процессоров, вывел энергопотребление в центрах обработки данных на новый уровень. Согласно недавнему отчёту Международного энергетического агентства, к 2030 году потребление электроэнергии в центрах обработки данных достигнет 945 ТВт·ч , что почти вдвое больше, чем 415 ТВт·ч в 2024 году.

Серверная стойка в центре обработки данных часто имеет целевое энергопотребление около 1 МВт . Такое увеличение мощности стойки увеличивает допустимую нагрузку по току, выходящую за практические пределы существующей архитектуры питания постоянного тока. Например, для питания стойки мощностью 1 МВт современной распределительной системе 48 В потребуется более 20 000 ампер тока. Размеры и стоимость медной шины, обеспечивающей такую ​​мощность, нереальны.

Следовательно, для удовлетворения больших потребностей в электроэнергии, связанных с рабочими нагрузками ИИ, требуются системы распределения электроэнергии постоянного тока высокого напряжения (HVDC). Преобразование энергии требует передовых методов управления и высокой степени интеграции схем для обеспечения высокой эффективности и высокой плотности мощности в центре обработки данных HVDC.

В этой статье мы рассмотрим архитектуру HVDC и обсудим типы технологий, необходимые для максимального повышения эффективности и плотности мощности.

Системы распределения электроэнергии постоянного тока высокого напряжения

На рисунке 1 показаны основные структурные элементы системы HVDC. В таблице 1 приведено краткое описание каждого элемента.

Для достижения целевого уровня мощности 1 МВт на стойку ККМ должен быть способен обрабатывать более 30 кВт. Основными задачами ККМ являются высокая эффективность, низкий уровень гармонических искажений и высокая плотность мощности.

Для достижения этих целей требуется сложный микроконтроллер реального времени (МК) для управления несколькими контурами обратной связи в системе. МК также должен сообщать хост-системе такие данные, как энергопотребление. МК должен иметь возможность управлять включением и выключением ключей преобразования энергии, а также собирать и обрабатывать критически важные данные системного уровня.

Примерами критически важных данных системного уровня являются входное напряжение, входной ток, выходное напряжение, выходной ток и температура полевого транзистора (FET). В некоторых случаях для поддержания высокой эффективности при повышенных частотах коммутации могут потребоваться сложные методы управления. Одним из таких методов управления является коррекция коэффициента мощности (ККМ) с управлением по треугольному току (TCM). Этот тип ККМ управляет силовыми ключами таким образом, чтобы обеспечить коммутацию при нулевом напряжении (ZVS) в каждом цикле коммутации, при любом входном напряжении и при любых условиях нагрузки.

DC/DC

DC/DC-каскад также требует высокой эффективности и высокой плотности мощности; однако топология и структура управления существенно отличаются от PFC. Разумным выбором топологии для DC/DC-каскада является схема «индуктор-индуктор-конденсатор» (LLC), которая позволяет достичь ZVS при любых условиях нагрузки. Эффективное управление DC/DC-каскадом также потребует использования современного микроконтроллера. Кроме того, высокие частоты коммутации и необходимость ZVS делают GaN-каскад привлекательным вариантом. Чтобы LLC мог регулировать напряжение в разумном диапазоне нагрузки и входного напряжения, выходное напряжение регулируется с помощью частотной модуляции.

Управление выходными LLC-выпрямителями для приближения к поведению идеального диода весьма затруднительно. Небольшие ошибки синхронизации полевых транзисторов приведут к дополнительным потерям проводимости и даже к возникновению обратного тока. Настраиваемый логический блок, наряду с функциями ZVD и обнаружения нулевого тока, доступными в GaN-ключах, обеспечивает микроконтроллеру необходимую функциональность для обеспечения приближения поведения GaN-ключей к поведению идеального диода в каждом цикле, предотвращая при этом возникновение обратного тока и поддерживая высокий КПД.

Сенсорика, управление затвором и смещение

Ограничение шума при измерениях напряжения и тока при сохранении широкой полосы пропускания является важнейшей функцией как для коррекции коэффициента мощности (PFC), так и для LLC. Для решения этой проблемы некоторые датчики напряжения и тока оцифровывают сигнал в источнике измерения и передают данные обратно через изолированный интерфейс. Это позволяет передавать результаты измерений обратно в контроллер, используя методы цифрового подавления шума, а не чувствительный аналоговый сигнал.

В случаях, когда для выборки сигнала не хватает мощности, многие из этих датчиков напряжения и тока поставляются со встроенным источником смещения.

Мощность 30 кВт требует сложных топологий, управляющих множеством полевых транзисторов. Например, в корректоре коэффициента мощности (ККМ) трёхуровневая топология с плавающим конденсатором для трёхфазного переменного тока потребует 12 полевых транзисторов. Каждому полевому транзистору потребуется свой драйвер и дополнительный источник смещения для эффективного включения и выключения полевых транзисторов на высокой частоте. Аналогично, для двухвыходного трёхфазного LLC потребуется 24 полевых транзистора со смещением и изоляцией. Интегрированные изоляторы, изолированные драйверы и микросхемы источника смещения позволяют создавать эффективные решения в компактном форм-факторе. Интеграция этих изоляторов, драйверов и датчиков существенно снижает общую площадь, занимаемую этими системами, максимизирует эффективность и снижает уровень шума.