با گسترش سریع مدل‌های بزرگ هوش مصنوعی و افزایش مقیاس خوشه‌های پردازشی، مراکز داده هوش مصنوعی نیازمندی‌های بسیار سخت‌گیرانه‌ای را در زمینه عملکرد و قابلیت اطمینان سیستم‌های پشتیبانی و ذخیره‌سازی انرژی باتری لیتیومی اعمال می‌کنند. به‌عنوان هسته کنترل مرکزی واحد تأمین توان پشتیبان لیتیومی، سیستم مدیریت باتری (BMS) وظایف اصلی از جمله نظارت بر وضعیت سلول‌ها، محافظت در حین شارژ و دشارژ، تعادل‌سازی سلول‌ها، هشدار خطا و مدیریت ایمنی را انجام می‌دهد. در نتیجه، قابلیت اطمینان اجزای داخلی آن مستقیماً بر ادامه تأمین توان و ایمنی عملیاتی زیرساخت‌های پردازشی تأثیر می‌گذارد. با بهره‌گیری از فرمولاسیون‌های اختصاصی مواد هسته‌ای مغناطیسی و تجربه فنی ۲۵ ساله خود در صنعت القاگرها، کدکا شرکت معرفی‌کنندهٔ سری ویژه‌ای از القاگرهای توان برای کاربردهای سیستم‌های مدیریت باتری پشتیبان در مراکز دادهٔ هوش مصنوعی است. این اجزا به‌طور مستقیم چالش‌های اصلی مهندسی—مانند جریان‌های ناگهانی دوطرفه با شدت بالا، تداخل نوسانی با فرکانس بالا، عملیات مداوم در طول سال، و نوسانات شدید دمای محیط در محیط‌های مراکز داده—را هدف قرار می‌دهند و بدین‌ترتیب راه‌حل‌های مغناطیسی با قابلیت اطمینان بالا را برای معماری‌های ذخیره‌سازی انرژی و تأمین توان پشتیبان در مراکز دادهٔ هوش مصنوعی فراهم می‌کنند.
۱. چالش‌های جدید کاربردی پیش‌روی سیستم‌های مدیریت باتری پشتیبان در مراکز دادهٔ هوش مصنوعی
بارهای محاسباتی واحدهای پردازشی گرافیکی سرورهای هوش مصنوعی نوسانات خشنی در سطح میلی‌ثانیه از خود نشان می‌دهند و افزایش‌های لحظه‌ای توان می‌تواند چندین برابر بار حالت پایدار شود. استفاده صرفاً از معماری‌های سنتی یکپارچه‌شدهٔ سیستم‌های تغذیه بدون وقفه (UPS) از نظر اقتصادی و عملیاتی، تطبیق با این ویژگی‌های پویای بار را دشوار می‌سازد. در نتیجه، راه‌حل‌های واحد باتری پشتیبان لیتیومی (BBU) به‌عنوان یکی از اصلی‌ترین معماری‌های فنی برای مراکز دادهٔ هوش مصنوعی (AIDC) که اخیراً ساخته شده‌اند، ظهور کرده‌اند. سیستم مدیریت باتری (BMS) به‌عنوان هستهٔ ایمنی واحد تغذیهٔ پشتیبان لیتیومی، به‌طور گسترده‌ای از القاگرهاي قدرتی و سیگنالی در ماژول‌های تبدیل توان مستقیم‌به‌مستقیم (DC-DC) داخلی، مدارهای موازنهٔ فعال سلول‌ها و شبکه‌های فیلترسازی سیگنال استفاده می‌کند. نقص در عملکرد القاگرها یا خرابی این اجزا می‌تواند به‌صورت مستقیم منجر به ناهنجاری‌های تغذیهٔ BMS، اختلال در عملیات موازنهٔ سلول‌ها و خطاهای تخمین ظرفیت باقی‌ماندهٔ باتری (SOC) شود. در شرایط عملیاتی افراطی، این مشکلات ممکن است باعث فعال‌شدن خودکار سیستم محافظت اضطراری باتری و در نهایت قطع تغذیهٔ سرور و اختلال در خدمات محاسباتی شوند.
در مقایسه با سیستم‌های مدیریت باتری (BMS) مورد استفاده در ذخیره‌سازی انرژی صنعتی معمولی، سیستم‌های BMS پشتیبان برای مراکز داده هوش مصنوعی چندین نقطه طراحی منحصربه‌فرد و چالش‌برانگیز دارند:
(1) جریان‌های لحظه‌ای دوطرفه با شدت بالا: سیستم‌های تأمین برق پشتیبان باید در بازه‌های زمانی کوتاه، توان بالایی را تأمین کنند و در هموارسازی اوج‌های بار نیز مشارکت داشته باشند. در شرایط تغییرات شدید بار با نرخ di/dt بالا، القاگرها باید جریان‌های نوسانی با دامنه بزرگ و اوج‌های شدید را تحمل کنند. در صورت اشباع شدن هسته مغناطیسی، ممکن است منجر به خرابی منبع تغذیه BMS و فعال‌شدن نادرست سیستم‌های حفاظتی شود.
(2) عملکرد مداوم در طول سال: با توجه به عمر کاری ۸ تا ۱۰ ساله مراکز داده، القاگرهای تأمین برق در تمام این دوره تحت بار مداوم قرار دارند. این امر الزامات بسیار سخت‌گیرانه‌ای را درباره تلفات مسی مقاومت مستقیم (DCR)، تلفات هسته مغناطیسی و پایداری افزایش دما در بلندمدت ایجاد می‌کند و نیازمند آن است که عملکرد القاگرها کاملاً عاری از انحراف ناشی از پیرشدن یا خرابی حرارتی باشد.
(3) محیط‌های شدید تداخل الکترومغناطیسی (EMI) در رک‌های سرور با تراکم بالا: کابینت‌های سرور با چگالی بالا، تعداد زیادی منبع تغذیه سوئیچینگ مبتنی بر کاربید سیلیسیوم (SiC) و نیترید گالیوم (GaN) را در خود جای می‌دهند که نویز سوئیچینگ پرفرکانس شدیدی تولید می‌کنند. در سیستم مدیریت باتری (BMS)، مدارهای نمونه‌برداری و اندازه‌گیری ولتاژ/جریان بخش پیش‌رو آنالوگ (AFE) سیگنال‌های بسیار حساسی را پردازش می‌کنند. نشت شار مغناطیسی از القاگرها در صورت عدم وجود محافظت مغناطیسی یا محافظت نامناسب، می‌تواند اختلالی در مسیرهای نمونه‌برداری ایجاد کند و منجر به انحراف در محاسبات ظرفیت باقی‌مانده (SOC) و سلامت باتری (SOH) شود که در نهایت ایمنی باتری را به خطر می‌اندازد.
(4) شرایط کاری روی‌بورد در دامنه دمای گسترده: گاهی اوقات نقاط داغ حرارتی موضعی در سراسر برد مدار چاپی (PCB) سیستم مدیریت باتری (BMS) ایجاد می‌شوند؛ بنابراین مؤلفه‌های روی‌بورد باید پارامترهای الکتریکی پایدار خود را در دامنه گسترده‌ای از دماها از ۴۰- درجه سانتی‌گراد تا ۱۲۵+ درجه سانتی‌گراد حفظ کنند. از اهمیت ویژه‌تر این است که القاگرهای توان باید در دماهای کاری بالا، کاهش ناچیزی در جریان اشباع نشان دهند تا عملکرد قابل اعتماد مدار تضمین شود.
(5) چیدمان سخت‌افزاری با چگالی توان بالا: فضای قفسهٔ سرور محدود است و این امر باعث افزایش مداوم تراکم ادغام برد کنترل‌کنندهٔ سیستم مدیریت باتری (BMS) می‌شود. در نتیجه، القاگرهای توان باید ظرفیت عبور جریان بالا را با بسته‌بندی کوچک‌شدهٔ سطحی (SMD) ترکیب کنند و همزمان استانداردهای سخت‌گیرانهٔ مقاومت مکانیکی و لرزشی در سطح برد مدار چاپی (PCB) را برآورده سازند.
۲. نقش اصلی القاگرها در سیستم‌های پشتیبان BMS برای مراکز دادهٔ هوش مصنوعی
در معماری‌های سیستم مدیریت باتری (BMS) پشتیبان مبتنی بر باتری‌های لیتیومی برای مراکز دادهٔ هوش مصنوعی، القاگرهای توان عمدتاً در مراحل تبدیل توان، مدارهای موازنهٔ سلولی و زیرمدارهای فیلترسازی سیگنال به‌کار می‌روند. پایداری عملیاتی هر یک از این مراحل، به‌طور مستقیم بر قابلیت اطمینان و ایمنی کلی سیستم تأمین توان پشتیبان تأثیر می‌گذارد.
(۱) مدار تبدیل توان مستقیم‌به‌مستقیم (DC-DC) اصلی
میکروکنترلر برد اصلی سیستم مدیریت باتری (BMS)، اینتگرال‌سره‌های مدار پیش‌آمپلیفایر آنالوگ (AFE)، آمپلیفایرهای عملیاتی نمونه‌برداری و ترانسیورهای رابط ارتباطی، همگی به چندین ریل ولتاژ پایین پایدار وابسته‌اند که از ولتاژ اصلی اتصال باس باتری از طریق مبدل‌های DC-DC بوک/بوست تولید می‌شوند. القاگرها به‌عنوان اجزای اصلی ذخیره‌سازی و فیلترینگ انرژی، ریل‌های تغذیه تمیز و پایداری را به واحدهای کنترل BMS تأمین می‌کنند. در صورت اشباع شدن یک القاگر یا افت غیرعادی توان در آن، تأمین توان اصلی سیستم BMS دچار ناپایداری می‌شود و این امر مستقیماً منجر به از دست رفتن عملکردهای حیاتی نظارت و محافظت از باتری می‌گردد.
(۲) مدار موازنه فعال
به دلیل تعداد بالای سلول‌ها در ماژول‌های باتری پشتیبان هوش مصنوعی، هماهنگی سلول‌ها به تدریج در طول چرخه‌های طولانی شارژ و دشارژ کاهش می‌یابد. توپولوژی‌های موازنه فعال مبتنی بر سیم‌پیچ، از سیم‌پیچ‌های ذخیره‌کننده انرژی برای تسهیل انتقال انرژی بین سلول‌های باتری استفاده می‌کنند. پایداری پارامترهای این سیم‌پیچ‌ها به‌طور مستقیم بازده و دقت موازنه را تعیین می‌کند و اطمینان حاصل می‌شود که ظرفیت کامل بسته باتری مورد استفاده قرار گیرد، خطر شارژ بیش از حد و دشارژ بیش از حد سلول‌ها کاهش یابد و عمر کلی باتری‌های ذخیره‌سازی انرژی افزایش پیدا کند. رایج‌ترین توپولوژی‌های موازنه فعال سلول عبارتند از: روش‌های مستقیم مبتنی بر ترانسفورماتور (مبدل‌های فلی‌بک دوطرفه)، معماری‌های ماتریس کلیدزنی همراه با ترانسفورماتور، و مدارهای موازنه مبتنی بر سیم‌پیچ دوطرفه بدون جداسازی (بوک-بوست). در حالی که دو توپولوژی اول از ترانسفورماتور برای انجام انتقال انرژی بین سلول‌های جداگانه استفاده می‌کنند، موازنه بوک-بوست دوطرفه بر اساس اصول استاندارد مدارهای بوک-بوست عمل می‌کند و پیاده‌سازی سخت‌افزاری ساده‌تر و مستقیم‌تری ارائه می‌دهد. اصل کاری موازنه فعال بوک-بوست متکی بر انتقال مستقیم بار بین سلول‌های مجاور باتری است، نه انتقال انرژی بین مکان‌های دور از هم درون بسته باتری. این طراحی پیچیدگی مدار موازنه را به‌طور چشمگیری ساده می‌کند و در عین حال از عملکرد همزمان چندین مدار موازنه به‌طور کامل برای توزیع مجدد بار در سراسر زنجیره باتری استفاده می‌کند.
شکل ۱. توپولوژی متعادلسازی فعال جهت‌دار کاهنده-افزاینده
همان‌طور که در شکل ۱ نشان داده شده است، یک متعادلساز جهت‌دار کاهنده-افزاینده روی هر جفت سلول نصب شده است. این متعادلساز از طریق حالت‌های متعادلسازی کاهنده و افزاینده، انتقال بار را به‌صورت دوطرفه بین دو سلول مجاور فراهم می‌کند و در نهایت به همگون‌سازی ظرفیت تمام سلول‌ها می‌انجامد. در حالت متعادلسازی کاهنده، متعادلساز فعال انرژی را از سلول بالایی به سلول پایینی منتقل می‌کند؛ و در حالت متعادلسازی افزاینده، انرژی را از سلول پایینی به سلول بالایی منتقل می‌کند.
(۳) مدار فیلتر EMI/EMC
اتصال‌دهندهٔ اصلی شارژ/دشارژ باتری دارای نوسانات سوئیچینگ با فرکانس بالا و پالس‌های نویز گذرا است. القاگرهای حالت تفاضلی در ترکیب با خازن‌ها، شبکه‌های فیلتر LC را تشکیل می‌دهند که پالس‌های جریان ناشی از سوئیچینگ توان دوطرفه را مهار می‌کنند، جفت‌شدن نویز به مدارهای نمونه‌برداری سیستم مدیریت باتری (BMS) را کاهش می‌دهند، دقت اندازه‌گیری ولتاژ و جریان را حفظ می‌کنند و خطاهای تجمعی برآورد وضعیت شارژ (SOC) را به حداقل می‌رسانند. القاگرهای حالت مشترک برای مهار نویز حالت مشترک در طول خطوط تغذیه استفاده می‌شوند و هم نویز الکترومغناطیسی خارجی را از ورود به BMS جلوگیری می‌کنند و هم نویز سوئیچینگ داخلی BMS را از انتشار به تجهیزات مجاور بازمی‌دارند.
۳. کُداکا القاگرهای با قابلیت اطمینان بالا را برای سیستم‌های پشتیبان BMS در مراکز دادهٔ هوش مصنوعی ارائه می‌کند
برای پاسخ به نیازهای عملیاتی ویژه سیستم‌های مدیریت باتری (BMS) پشتیبان مراکز داده مبتنی بر هوش مصنوعی، شرکت کوداکا القاگرها را در ابعاد متعددی از جمله ترکیب مواد هسته مغناطیسی، ساختار پیچش و طراحی قابلیت اطمینان بهینه‌سازی کرده است. این محصولات با توجه به سطوح توان مختلف در مدارهای BMS پشتیبان هوش مصنوعی طراحی شده‌اند و کوداکا مجموعه‌ای جامع از محصولات اثبات‌شده در عمل ارائه می‌دهد:
الکترومغناطیس‌های توان با جریان بالا، متعلق به کُداکا، از مواد هسته‌ای مغناطیسی کم‌تلافی و طرح پیچش سیم تخت برخوردارند و از این‌رو تلفات بسیار پایین در هسته و عملکرد نرم‌شبیه‌سازی‌شدهٔ اشباع را فراهم می‌کنند. هنگامی که این الکترومغناطیس‌ها در معرض جریان‌های لحظه‌ای بسیار بالا قرار می‌گیرند، ضریب خودالقایی به‌صورت هموار و تدریجی کاهش می‌یابد نه اینکه ناگهان سقوط کند؛ بنابراین از شکست کامل هستهٔ اشباع‌شده در زمان پیک‌های ناگهانی جریان بار جلوگیری می‌کند. این الکترومغناطیس‌های توان دارای حداکثر جریان اشباع (Isat) تا ۴۲۲ آمپر و دامنهٔ دمایی کاری گسترده‌تر تا ۱۷۰ درجهٔ سانتی‌گراد هستند و برای تحمل شرایط سخت محیطی—مانند بارهای جریان پیوستهٔ بالا و تنش حرارتی شدید—طراحی شده‌اند. این قطعات در طول کارکرد بلندمدت با جریان بالا، افزایش دمای سطحی بسیار کمی نشان می‌دهند و از این‌رو برای طیف گسترده‌ای از توپولوژی‌های مداری سیستم‌های مدیریت باتری (BMS) مناسب‌ترین گزینه هستند.
محصولات پیشنهادی: سی‌اس‌بی‌اکس /CSBA /سی‌پی‌آرایکس /سی‌پی‌رآ /سی‌پی‌ایکس /سی‌پی‌ای
الکترون‌های قدرتی قالب‌گیری‌شدهٔ انحصاری کُداکا از مواد هسته‌ای مغناطیسی با تلفات پایین و فرآیند پیشرفتهٔ قالب‌گیری با فشار گرم بهره می‌برند و به‌طور چشمگیری اندازهٔ قطعه و تلفات توان را کاهش داده و قابلیت اطمینان عملیاتی کلی را افزایش می‌دهند. این محصولات دارای طراحی کاملاً مغناطیسی شیلدشده هستند و نشتی بسیار پایین جریان مغناطیسی را نشان می‌دهند؛ این ویژگی از جفت‌شدن میدان‌های مغناطیسی پراکنده با سیگنال‌های حساس اندازه‌گیری ولتاژ و جریان در بخش جلویی آنالوگ (AFE) جلوگیری می‌کند. این امر دقت بالایی در اندازه‌گیری SOC و SOH تضمین می‌کند، خطاهاي سیستمی ناشی از EMI را کاهش می‌دهد و سازگاری الکترومغناطیسی (EMC) کل واحد را بهبود می‌بخشد. این الکترون‌های قدرتی دارای حداکثر دمای کاری تا ۱۵۵ درجهٔ سانتی‌گراد و بازده حداکثری تبدیل توان تا ۹۸ درصد هستند و به‌طور مؤثر قابلیت اطمینان کلی سیستم BMS را افزایش داده و بازده تبدیل توان DC-DC را به حداکثر می‌رسانند.
محصولات پیشنهادی: CSEG-H /سی‌اس‌ای‌بی-اچ /سی‌اس‌اچ‌بی /سی‌اس‌ای‌جی
با انتخاب سیم‌پیچ‌های حالت مشترک که با ویژگی‌های امپدانس بالا در باندهای فرکانسی هدف طراحی شده‌اند، مهندسان می‌توانند نویز حالت مشترک را به‌طور مؤثر سرکوب کرده و تأثیرات تداخل الکترومغناطیسی (EMI) بر پایداری عملیاتی سیستم مدیریت باتری (BMS) را کاهش دهند. کوداکا طیف گسترده‌ای از راه‌حل‌های سیم‌پیچ حالت مشترک را ارائه می‌دهد که به‌طور خاص برای برآوردن نیازهای کاربردی متنوع مشتریان طراحی شده‌اند.
محصولات پیشنهادی: TCAB /CSTP /CRHCM /CSUC
با انرژی‌گیری از روند رو به رشد هوش مصنوعی تولیدی، سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی پشتیبان مراکز داده به سرعت در حال ارتقا و تکرار هستند. به‌عنوان هستهٔ اصلی هوشمندی که ایمنی تأمین برق پشتیبان را تضمین می‌کند، سیستم مدیریت باتری (BMS) نیازمندی‌های فزاینده‌ای را در زمینهٔ چگالی توان، قابلیت اطمینان بلندمدت و عملکرد در برابر تداخل الکترومغناطیسی (EMI) بر مؤلفه‌های مغناطیسی اعمال می‌کند. کُداکا با بیست‌وپنج سال تخصص عمیق در زمینهٔ سیم‌پیچ‌های توان، با بهره‌گیری از نوآوری در مواد و تکرار فرآیندهای پیشرفتهٔ تولید، راه‌حل‌های جامع سیم‌پیچی بهینه‌شده برای BMS را در سناریوهای ذخیره‌سازی انرژی پشتیبان مراکز دادهٔ هوش مصنوعی ارائه می‌دهد. کُداکا با استفاده از مؤلفه‌های مغناطیسی قابل اعتماد در زمینهٔ توان، عملکرد پایدار و پیوستهٔ زیرساخت‌های محاسباتی جهانی را تضمین می‌کند.
EN