現在、AIアプリケーションの急速な実用化により、電力消費量が大幅に増加しており、これに伴いデータセンターの電力需要が高まっています。国際エネルギー機関（IEA）の2023年のデータによると、世界のデータセンターの消費電力は、全世界の電力消費量の3％以上を占めており、単一のA100 GPUサーバーのピーク消費電力は10kWを超えています。データセンターの電力消費の大幅な増加は、電力供給の質と量の両方に新たな課題を突きつけています。データセンターの電源回路における重要な構成部品の一つとして、インダクタの選定は、電源システムの変換効率および運転の安定性・信頼性にとって極めて重要です。
1- データセンター電源の種類と発展動向
データセンターの電源には、主にサーバー用電源装置、UPS無停電電源装置、高圧DC電源装置、分散型電源／モジュール式電源などが含まれます。
1.1 サーバー用電源装置
AIサーバーでは、GPU、CPU、AIアクセラレーションチップが電源の安定性と効率性に対して極めて高い要求を持っています。サーバーは通常、安定した電圧出力を提供するために高効率なDC-DCコンバーターを使用しており、インダクタはDC-DCコンバーター内において不可欠な主要部品です。
サーバーの消費電力が増加する一方で、体積は変わらないため、電力密度の要求はさらに厳しくなります。新しく開発されたサーバー用電源装置（PSU）は、ほぼ100W／in³まで向上しています。今後、サーバー電源はより高い電力密度、高い変換効率、スマートな管理を実現するために進化し、計算能力に対する需要の増加に対応していきます。トポロジーおよび部品技術の進化を通じてコンバーターの効率を向上させることが、高電力密度を達成するための解決策です。
1.2 UPS電源装置
UPS無停電電源装置は、データセンターへの継続的な電力供給を確保する上で極めて重要な役割を果たします。市販電源の停電や電圧変動が発生した場合、UPSは即座にバッテリー電源モードに切り替わり（無停電供給）、データセンター内の重要機器（サーバー、ストレージ装置、ネットワーク機器など）への影響を防ぎます。
1.3 高圧直流電源装置
HVDC（高圧直流）電源システムは、データセンターなどのアプリケーションにおいて大幅なエネルギー節約を実現します。HVDCは従来のUPS（無停電電源装置）におけるインバータ段階を不要にするため、変換効率が95%以上に達し、データセンターのエネルギー消費を効果的に削減できます。関連データによると、HVDC電源の効率は従来のUPSソリューションよりも5%以上高いです。さらに、HVDCはインバータを必要としないため、平均故障間隔（MTBF）もUPSよりも30%以上長くなっています。データセンターがより高いエネルギー効率、排出量削減および信頼性を追求する中で、HVDC電源に対する市場需要は今後も増加していくでしょう。
1.4 モジュール型／分散型DC電源
データセンターの電源システムにおける高信頼性、柔軟なスケーラビリティ、エネルギー効率の最適化、および運用効率という主要な課題に対応するため、データセンターのサーバーはモジュール設計された分散型電源システムを採用しています。モジュラー電源は、コンピューティングパワーの需要に動的に対応できるだけでなく、冗長アーキテクチャを通じて障害の分離を実現し、システムの信頼性を向上させます。さらに、実際の負荷に基づいてオンラインモジュールの数を動的に調整することで、運用効率を高めることができます。
データセンター適用の回路構成図
2- データセンター電源システムにおけるインダクタの要件
データセンターの電源システムにおいて、インダクタは重要な役割を果たす基本的な構成部品です。電磁誘導の原理を利用することで、電流の変動を抑制し、出力電流を安定化させ、電力変換プロセスにおいて極めて重要な役割を果たします。これにより、電源システムのエネルギー効率と安定性に影響を与えます。異なる電源回路では、インダクタに対する要求仕様が異なります。
AC電力システムでは、インダクタは主に力率改善（PFC）回路およびEMIフィルタリングに使用される。PFCインダクタは、コアの磁気飽和を防ぐために、高周波（数十kHzからMHz）での過渡電流に耐える必要がある。これらのインダクタには金属複合材料のコアが用いられ、高い飽和電流、低いコア損失、および高温安定性といった電気的特性を持つ。EMIフィルタリングに使用されるインダクタは、高周波ノイズの抑制機能が必要であり、共通モードインダクタはMHz帯域のノイズを抑制できるとともに、漏れ磁束を低減する設計を採用して、敏感な回路への干渉を抑える必要がある。
DC電源システムには2つのシナリオが含まれます。1つはHVDC（高圧DC）システムで、国内での一般的な電圧は240Vです。もう1つは分散型DC電源（例えば48V直接供給）です。高圧DC電源では、インダクタに高周波特性が求められ、スイッチング周波数はMHzレベルに達し、低損失の磁心を使用して効率的なDC-DC変換を実現します。インダクタは高圧絶縁に対応できるように設計され、高圧破壊のリスクを回避する必要があります。また、インダクタは大電流を流す能力を持ち、連続的に大電流が流れる条件下でも温度上昇を低く保つ必要があります。同時に、高周波共振問題を低減するために、寄生容量が小さいことも要求されます。分散型DC電源の場合、インダクタには小型化、高出力密度、および全体の損失を低減するための低DCRが求められます。
UPSシステムにおけるインダクタは、主にインバータ出力のフィルタリングおよびバッテリーの充放電管理回路に使用されます。インバータ出力のフィルタリングでは、限られた空間で100Aを超える電流を扱いながらも低ひずみ率を満たす必要があるため、高電力密度でコンパクトな設計のインダクタが求められます。フェライトコアと多層巻線構造を組み合わせることで、フィルタリング効果を最適化できます。UPS電源に使用されるインダクタは、バッテリーの過渡的な充放電時にパルス電流に耐え、磁気飽和に対して強い特性を示す必要があるため、高い磁気飽和電流を持つコンパクトなインダクタがUPSシステムに不可欠です。
モジュラーおよび分散型電源システムでは、標準化されたホットスワップ設計要件を満たすためにインダクタが必要であり、インダクタパラメータは厳密に一貫性が保たれ、密閉空間内での放熱に対応可能で、動作温度範囲は-40°C～+125°Cまで拡大されています。従来の高電流インダクタや一体型インダクタに加えて、TLVR技術の採用により、インダクタの過渡応答性能を向上させることができます。
データセンターの電源アーキテクチャと技術的特徴（オンラインデータに基づく）
3- データセンターにおける電源インダクタの需要動向
データセンター機器において、より高い演算能力、高出力密度、高周波数、高度な集積化のトレンドが進む中で、インダクタは以下の発展傾向を示しています：
① 高出力密度。 AIデータセンターのコンピューティングハードウェアの性能向上に伴い、インダクタの重要性が高まっています。インダクタは、サーバー電源装置の限られた空間内でより大きな電力を処理できることに加え、高温耐性も向上させる必要があります。
② 高周波・低損失。 データセンターの電源装置（PSU）では、GaNやSiCなどのワイドバンドギャップ半導体デバイスの使用が進んでいます。これに伴い、インダクタにはこれらの高周波デバイスをサポートしつつ、コア損失を低減し、システムの変換効率を向上させることが求められます。
③ 小型化と集積化。 AIデータセンターでは、サーバーやAIアクセラレータカードが限られた空間内にますます多くの演算ユニットを集積しており、インダクタを含む部品の小型化が不可欠です。これはサイズの縮小だけでなく、高出力密度の実現も要求されています。
④ 高信頼性。 データセンターの電源システムは常に連続運転しており、停電やダウンタイムは許容されません。冗長設計やバックアップ電源の採用に加えて、部品の信頼性や温度安定性も非常に高くなければならず、選定されるインダクタも高い信頼性を備えていなければなりません。
4-コダカ インダクタはデータセンターの電源効率向上に貢献します
磁性部品技術の業界をリードするサプライヤーとして、Codacaはインダクタ製品ソリューションのカスタマイズに特化しています。Codacaが独自に開発したインダクタは、AIサーバーやデータセンター電源、通信機器など幅広い分野で使用されています。
データセンターの電源用電子部品の高性能要件を満たすために、Codacaは高飽和・大電流インダクタ、低損失・軽量一体型成形インダクタ、高密度実装に適した表面実装電源インダクタ、低インダクタンス電源インダクタ、高周波・大電流インダクタなど、多様な製品ラインナップを独自に開発しました。Codacaのインダクタは、最大350Aの飽和電流、最大98%の電力変換効率、最大165°Cの動作温度に対応しています。これらの製品はAEC-Q200認証を取得しており、過酷で複雑な運用環境での使用に適しています。
専門的なインダクタ設計能力と強力な製造および製品試験能力に支えられ、Codacaはサーバー電源、UPS電源など向けに、低損失・高効率・高信頼性の幅広いインダクタを提供し、データセンター電源全体の効率向上を支援しています。
データセンターの電源システムに推奨されるインダクタモデルは以下の通りです：
Codacaの高電流用パワーインダクタ 例えば CPEX /CPEA /CSBA /CSBX /CSCF /CSCM /CSCE は、高い飽和電流、低いDC抵抗、広い使用周波数範囲、および広い動作温度範囲を特徴としており、データセンターの電源システムが要求する高動作電流、高周波低損失、および高電力密度に対応しています。
成形電力インダクタ 例えば CSAB /CSAG /CSHB /CSEB は、成形フルシールド構造により、優れたEMI耐性、低いDC抵抗、高電流対応、低いコア損失を実現しており、データセンターの電源システムが求める小型インダクタ、高電流、EMI耐性の要件を満たしています。
表面実装型パワーインダクタ 例えば SPRH /CSUS /CRHSM /SPQ /SPD /SPBL は、磁気シールド構造を採用し、優れたEMI耐性、小型サイズ、高密度実装に適しています。
低インダクタンスパワーインダクタCSHNシリーズ gPUの電源供給用に設計されています。Codacaがサーバー電源向けに独自開発したCSHNインダクタは、完全シールド構造で、強力なEMI耐性と優れたDCバイアス特性を備えています。当社の高周波・大電流対応インダクタシリーズは、大電流電源アプリケーションに特化して設計されており、高いエネルギー蓄積能力、超低DC抵抗、コンパクトなサイズを実現しており、VRMや多相降圧レギュレータに適しています。
さらに、Codacaのインダクタはデータセンターのスイッチ、ルーター、ストレージシステム、監視システムなどにも広く使用されており、大電流インダクタ、一体型インダクタ、共通モード／表面実装インダクタなど多種多様な製品を提供しています。すべて顧客のニーズに応じて柔軟にカスタマイズ可能です。詳細については、Codacaの営業担当までお問い合わせいただくか、Codacaウェブサイトをご覧ください。
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