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Derzeit hat die beschleunigte Implementierung von KI-Anwendungen zu einem erheblichen Anstieg des Stromverbrauchs geführt, was direkt die Nachfrage nach Rechenzentrumstrom erhöht. Laut den Daten der Internationalen Energieagentur aus dem Jahr 2023 entfällt mittlerweile mehr als 3 % des weltweiten Stromverbrauchs auf Rechenzentren, und der Spitzenstromverbrauch eines einzelnen A100-GPU-Servers liegt bereits über 10 kW. Der starke Anstieg des Stromverbrauchs in Rechenzentren stellt neue Herausforderungen an Qualität und Menge der Stromversorgung dar. Als eine wichtige Komponente in den Stromkreisen von Rechenzentren ist die Auswahl der Induktivitäten entscheidend für die Umwandlungseffizienz sowie die Betriebsstabilität und Zuverlässigkeit der Stromversorgungssysteme in Rechenzentren.
1- Kategorien der Stromversorgung für Rechenzentren und Entwicklungstrends
Die Stromversorgung von Rechenzentren umfasst hauptsächlich Server-Netzteile, USV-Unterbrechungsfreie Stromversorgungen, Hochspannungs-Gleichstromversorgungen, verteilte Stromversorgungen/modulare Stromversorgungen usw.
1.1 Server-Netzteil
In KI-Servern haben GPUs, CPUs und KI-Beschleunigungschips äußerst hohe Anforderungen an die Stabilität und Effizienz der Stromversorgung. Server verwenden typischerweise effiziente DC-DC-Wandler, um eine stabile Spannung bereitzustellen, wobei Induktivitäten unverzichtbare Schlüsselkomponenten in DC-DC-Wandlern sind.
Da sich das Strombudget von Servern erhöht, während das Volumen konstant bleibt, werden die Anforderungen an die Leistungsdichte noch strenger. Neu entwickelte Server-Netzteile (PSUs) erreichen mittlerweile fast 100 W/in³. Zukünftig wird sich die Server-Stromversorgung weiter in Richtung höherer Leistungsdichte, höherer Wirkungsgrade und intelligenterer Verwaltung entwickeln, um den steigenden Bedarf an Rechenleistung zu decken. Die Verbesserung des Wirkungsgrads von Wandlern durch die Weiterentwicklung von Topologien und Komponententechnologien ist der Schlüssel zur Erreichung einer hohen Leistungsdichte.
1,2 UPS-Stromversorgung
USV-Unterbrechungsfreie Stromversorgungen spielen eine entscheidende Rolle bei der Sicherstellung einer kontinuierlichen Energieversorgung für Rechenzentren. Bei einem Stromausfall oder Spannungsschwankungen im Netzstrom kann die USV sofort in den Batteriebetrieb wechseln (unterbrechungsfreie Stromversorgung), wodurch sichergestellt wird, dass kritische Geräte im Rechenzentrum (wie Server, Speichergeräte, Netzwerkgeräte usw.) nicht beeinträchtigt werden.
1,3 Hochspannungs-Gleichstromversorgung
HVDC-Netzversorgungssysteme (Hochspannungs-Gleichstrom) bieten in Anwendungen wie Rechenzentren erhebliche Energieeinsparungen. Da bei HVDC die Wechselrichterstufe einer herkömmlichen USV (unterbrechungsfreie Stromversorgung) entfällt, kann der Wirkungsgrad über 95 % erreichen und der Energieverbrauch von Rechenzentren effektiv gesenkt werden. Laut entsprechenden Daten liegt der Wirkungsgrad von HVDC-Stromversorgungen um mehr als 5 % über dem herkömmlicher USV-Lösungen. Außerdem ist die mittlere Zeit zwischen Ausfällen (MTBF) bei HVDC aufgrund des fehlenden Wechselrichters um über 30 % höher als bei USV-Systemen. Da Rechenzentren weiterhin höhere Energieeffizienz, geringere Emissionen und höhere Zuverlässigkeit verlangen, wird die Marktnachfrage nach HVDC-Stromversorgungen weiter steigen.
1.4 Modulare/Verteilte Gleichstromversorgung
Um die zentralen Herausforderungen von Rechenzentren hinsichtlich hoher Zuverlässigkeit, flexibler Skalierbarkeit, Optimierung der Energieeffizienz und Betriebseffizienz in Stromversorgungssystemen zu bewältigen, setzen Server in Rechenzentren ebenfalls auf modular konzipierte verteilte Stromversorgungssysteme. Modulare Netzteile passen sich nicht nur dynamisch an den Leistungsbedarf an, sondern erreichen durch redundante Architekturen auch eine Fehlerisolierung, wodurch die Systemzuverlässigkeit erhöht wird. Zusätzlich können sie die Anzahl der aktiven Module je nach tatsächlichem Lastniveau dynamisch anpassen, um die Betriebseffizienz zu verbessern.
Anwendungsschema für Rechenzentren
2- Anforderungen an Induktoren für Stromversorgungssysteme in Rechenzentren
In Rechenzentrum-Stromversorgungssystemen sind Induktivitäten grundlegende Bauelemente mit bedeutender Funktion. Unter Nutzung des Prinzips der elektromagnetischen Induktion verhindern sie Stromschwankungen, stabilisieren die Stromabgabe und spielen eine entscheidende Rolle bei den Energieumwandlungsprozessen, wodurch sie die Energieeffizienz und Stabilität des Stromversorgungssystems beeinflussen. Unterschiedliche Stromkreise stellen unterschiedliche Anforderungen an Induktivitäten.
In Wechselstrom-Systemen werden Induktivitäten hauptsächlich in Leistungsfaktorkorrektur (PFC)-Schaltungen und zur EMI-Filterung eingesetzt. PFC-Induktivitäten müssen transienten Strömen bei hohen Frequenzen (zehn bis mehrere hundert kHz bis MHz) standhalten, um eine Kernsättigung zu vermeiden. Die Induktivitäten verwenden metallische Verbundkernmaterialien, die elektrische Eigenschaften wie hohen Sättigungsstrom, geringe Kernverluste und hohe Temperaturstabilität aufweisen. Für die EMI-Filterung eingesetzte Induktivitäten müssen über hohe Hochfrequenz-Störunterdrückungseigenschaften verfügen; Gegentaktinduktivitäten müssen Störungen im MHz-Bereich unterdrücken und gleichzeitig ein Design mit niedriger Streuinduktivität aufweisen, um Störungen empfindlicher Schaltkreise zu reduzieren.
Das Gleichstromversorgungssystem umfasst zwei Szenarien: eines ist das HVDC-System (Hochspannungs-Gleichstrom) mit einer typischen Spannung von 240 V im gegenwärtigen heimischen Kontext. Das andere ist die verteilte Gleichstromversorgung (z. B. direkte 48-V-Versorgung). Für die Hochspannungs-Gleichstromversorgung müssen Induktivitäten über hochfrequente Eigenschaften verfügen, wobei die Schaltfrequenzen den MHz-Bereich erreichen; dabei werden verlustarme Magnetkerne eingesetzt, um einen effizienten DC-DC-Umrichtungsbetrieb zu unterstützen. Die Induktivitäten müssen für eine Hochspannungsisolation ausgelegt sein, um das Risiko von Durchschlägen bei Hochspannung zu vermeiden. Die Induktivitäten müssen in der Lage sein, hohe Ströme zu führen und unter kontinuierlichem Hochstrombetrieb eine geringe Temperaturerhöhung aufzuweisen. Gleichzeitig müssen die Induktivitäten die Anforderung nach geringer parasitärer Kapazität erfüllen, um hochfrequente Resonanzprobleme zu reduzieren. Bei der verteilten Gleichstromversorgung werden kompakte Induktivitäten mit hoher Leistungsdichte und geringem DCR benötigt, um die Gesamtverluste zu minimieren.
Drosseln in USV-Systemen werden hauptsächlich für die Ausgangsfilterung des Wechselrichters und die Schaltkreise zur Batterielade-/Entlade-Steuerung verwendet. Für die Ausgangsfilterung des Wechselrichters müssen Drosseln eine kompakte Bauweise mit hoher Leistungsdichte aufweisen, um Ströme über 100 A auf begrenztem Raum bewältigen zu können und gleichzeitig geringe harmonische Verzerrungen sicherzustellen. Die Filterwirkung kann durch den Einsatz von Ferritkernen in Kombination mit mehrschichtigen Wicklungsdesigns optimiert werden. Drosseln, die in USV-Stromversorgungen eingesetzt werden, müssen außerdem Impulsströme aushalten und während transitorischer Lade-/Entladevorgänge der Batterie anti-sättigende Eigenschaften aufweisen; daher sind kompakte Drosseln mit hohem Sättigungsstrom für USV-Systeme erforderlich.
Modulare und verteilte Stromversorgungssysteme erfordern Induktivitäten, die standardisierte und Hot-Swap-Designanforderungen erfüllen, streng konsistente Induktivitätsparameter aufweisen, an die Wärmeabfuhr in geschlossenen Räumen angepasst werden können und einen Betriebstemperaturbereich von -40°C bis +125°C bieten. Neben traditionellen Hochstrominduktivitäten und Vollgussinduktivitäten kann der Einsatz der TLVR-Technologie die transiente Antwortfähigkeit der Induktivitäten verbessern.
Stromversorgungsarchitektur und technische Merkmale von Rechenzentren (basierend auf Online-Daten)
3- Trends bei der Nachfrage nach Leistungsinduktivitäten in Rechenzentren
Angesichts des Trends zu höherer Rechenleistung, höherer Leistungsdichte, höheren Frequenzen und stärkerer Integration in Geräten für Rechenzentren zeigen Induktivitäten folgende Entwicklungstrends:
① Hohe Leistungsdichte. Die zunehmende Leistungsfähigkeit der KI-Rechenzentrum-Hardware erhöht die Anforderungen an Induktivitäten. Diese müssen in der Lage sein, höhere Leistungen innerhalb des begrenzten Raums von Server-Stromversorgungsgeräten zu bewältigen und gleichzeitig eine verbesserte Temperaturbeständigkeit bieten.
② Hohe Frequenz und geringe Verluste. Rechenzentrum-Netzteile setzen zunehmend Halbleiterbauelemente mit großem Bandabstand wie GaN und SiC ein. Induktivitäten müssen diese hochfrequenten Bauelemente unterstützen, während sie gleichzeitig Kernverluste reduzieren und die Systemumwandlungseffizienz verbessern.
③ Miniaturisierung und Integration. In KI-Rechenzentren werden in Servern und KI-Beschleunigerkarten immer mehr Recheneinheiten auf begrenztem Raum integriert, was die Miniaturisierung von Komponenten – einschließlich Induktivitäten – erforderlich macht. Dies erfordert sowohl eine verkleinerte Bauform als auch eine höhere Leistungsdichte.
④ Hohe Zuverlässigkeit. Datenzentrum-Stromversorgungssysteme arbeiten kontinuierlich, und Stromausfälle oder Ausfallzeiten sind nicht tolerierbar. Neben der Anwendung von redundanten Konstruktionen und Backup-Stromversorgungen sind die Zuverlässigkeit und Temperaturstabilität der Komponenten äußerst hoch, und die ausgewählten Induktivitäten müssen ebenfalls über eine hohe Zuverlässigkeit verfügen.
4-Codaca Induktivitäten helfen bei der Verbesserung der Energieeffizienz in Datencenter-Stromversorgungen
Als branchenführender Anbieter von magnetischen Komponententechnologien spezialisiert sich Codaca auf die kundenspezifische Entwicklung von Induktivitätslösungen. Die eigenständig entwickelten Induktivitäten von Codaca finden breite Anwendung in KI-Servern, Datencenter-Stromversorgungen und Kommunikationsgeräten.
Um die anspruchsvollen Anforderungen an elektronische Bauteile in Stromversorgungen von Rechenzentren zu erfüllen, hat Codaca unabhängig verschiedene Produktlinien entwickelt, darunter Hochsättigungs- und Hochstrominduktivitäten, verlustarme, leichte, integrierte geschaltete Induktivitäten, oberflächenmontierbare Leistungsinduktivitäten für hochdichte Bestückung, niederinduktive Leistungsinduktivitäten sowie hochfrequente, hochstromfähige Induktivitäten. Codaca-Induktivitäten bieten einen Sättigungsstrom von bis zu 350 A, einen Wirkungsgrad bei der Leistungsumwandlung von bis zu 98 % und eine Betriebstemperatur von bis zu 165 °C. Diese Produkte sind nach AEC-Q200 zertifiziert und für den Einsatz in rauen und komplexen Betriebsumgebungen geeignet.
Auf der Grundlage professioneller Induktivitäts-Designfähigkeiten sowie starker Fertigungs- und Produkttestkapazitäten bietet Codaca eine breite Palette an verlustarmen, effizienten und zuverlässigen Induktivitäten für Serverstromversorgungen, USV-Stromversorgungen usw., wodurch die Gesamteffizienz der Stromversorgung in Rechenzentren verbessert wird.
Empfohlene Induktormodelle für Stromversorgungssysteme in Rechenzentren sind wie folgt:
Hochstrom-Leistungsinduktoren von Codaca wie zum Beispiel CPEX /CPEA /CSBA /CSBX /CSCF /CSCM /CSCE , die sich durch hohe Sättigungsstromstärke, geringen Gleichstromwiderstand, breiten Anwendungsfrequenzbereich und weiten Betriebstemperaturbereich auszeichnen, erfüllen die Anforderungen von Stromversorgungssystemen in Rechenzentren hinsichtlich hohem Betriebsstrom, hochfrequenten geringen Verlusten und hoher Leistungsdichte.
Formgebundene Leistungsspulen wie zum Beispiel CSAB /CSAG /CSHB /CSEB , mit formgepresster Vollabschirmungsstruktur, starker Anti-EMI-Leistung, geringem Gleichstromwiderstand, hohem Strom und geringen Kernverlusten, erfüllen die Anforderungen von Stromversorgungssystemen in Rechenzentren an kleine Baugröße, hohen Strom und Anti-EMI-Leistung.
SMD-Leistungsinduktoren wie zum Beispiel SPRH /CSUS /CRHSM /SPQ /SPD /SPBL , mit magnetischer Abschirmstruktur, starker Anti-EMI-Leistung, kompakter Bauweise und geeignet für hochdichte Bestückung.
Leistungsinduktoren mit niedriger Induktivität, Serie CSHN sind für die GPU-Stromversorgung konzipiert. Die CSHN-Drossel, eigenständig von Codaca speziell für Serverstromversorgungen entwickelt, zeichnet sich durch eine vollständig abgeschirmte Struktur, starke EMI-Immunität und hervorragende DC-Vorspannungs-Eigenschaften aus. Unsere Hochfrequenz-Hochstrom-Drosselserie ist speziell für hochstromfähige Stromversorgungsanwendungen ausgelegt und bietet hohe Energiespeicherfähigkeit, extrem niedrigen Gleichstromwiderstand und kompakte Bauform, wodurch sie sich besonders für VRMs und mehrphasige Buck-Regler eignet.
Darüber hinaus werden Codaca-Drosseln breit in Rechenzentrumsswitches, Routern, Speichersystemen und Überwachungssystemen eingesetzt, darunter Hochstromdrosseln, integrierte Drosseln, Gleichtaktdrosseln/SMD-Drosseln und weitere, die alle flexibel nach Kundenanforderungen angepasst werden können. Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an den Codaca-Vertrieb oder besuchen Sie die Codaca-Website.