현재 AI 응용 프로그램의 가속화된 도입으로 인해 전력 소비가 크게 증가하였으며, 이는 직접적으로 데이터 센터 전력 수요를 증가시키고 있습니다. 국제에너지기구(IEA)의 2023년 데이터에 따르면, 전 세계 데이터 센터의 에너지 소비량은 전 세계 전력 소비의 3% 이상을 차지하고 있으며, 단일 A100 GPU 서버의 최대 전력 소비는 10kW를 초과했습니다. 데이터 센터의 전력 소비가 크게 증가함에 따라 전력 공급의 질적·양적 측면에서 새로운 과제가 제기되고 있습니다. 데이터 센터 전원 회로의 중요한 구성 요소 중 하나인 인덕터의 선택은 데이터 센터 전원 시스템의 변환 효율성과 운용 안정성 및 신뢰성에 매우 중요합니다.
1- 데이터 센터 전원 공급 유형 및 발전 동향
데이터 센터 전원은 주로 서버 전원 공급 장치, UPS 무정전 전원 공급 장치, 고전압 DC 전원 공급 장치, 분산형 전원 공급 장치/모듈형 전원 공급 장치 등을 포함합니다.
1.1 서버 전원 공급 장치
AI 서버에서 GPU, CPU 및 AI 가속 칩은 전원 공급의 안정성과 효율성에 매우 높은 요구 조건을 가지고 있습니다. 서버는 일반적으로 안정적인 전압 출력을 제공하기 위해 고효율 DC-DC 컨버터를 사용하며, 인덕터는 DC-DC 컨버터 내에서 없어서는 안 될 핵심 구성 요소입니다.
서버의 전력 예산이 증가하면서도 부피는 그대로 유지되기 때문에 전력 밀도 요구 사항은 더욱 엄격해질 것입니다. 새로 개발된 서버 전원 공급 장치(PSU)는 거의 100W/in³까지 증가했습니다. 향후 서버 전원은 더 높은 전력 밀도, 더 높은 변환 효율, 스마트한 관리 방향으로 발전하여 계산 처리 능력에 대한 증가하는 수요를 충족시킬 것입니다. 토폴로지 및 구성 요소 기술의 진화를 통해 컨버터 효율을 향상시키는 것이 높은 전력 밀도를 달성하는 해결책입니다.
1.2 UPS 전원 공급 장치
UPS 무정전 전원 공급 장치는 데이터 센터에 지속적인 전력 공급을 보장하는 데 중요한 역할을 합니다. 도시 전력에 정전 또는 전압 변동이 발생할 경우, UPS는 즉시 배터리 전원 모드로 전환되어(무중단 전원 공급) 데이터 센터 내 주요 장비(서버, 저장 장치, 네트워크 장치 등)가 영향을 받지 않도록 합니다.
1.3 고압 직류 전원 공급 장치
HVDC(고전압 직류) 전원 공급 시스템은 데이터 센터와 같은 응용 분야에서 상당한 에너지 절약 효과를 제공합니다. HVDC는 기존의 UPS(무정전 전원 공급 장치)에서 필요한 인버터 단계를 제거함으로써 변환 효율이 95% 이상에 도달할 수 있어, 데이터 센터의 에너지 소비를 효과적으로 줄일 수 있습니다. 관련 자료에 따르면, HVDC 전원 공급의 효율은 기존의 UPS 솔루션보다 5% 이상 높습니다. 또한 HVDC는 인버터가 없기 때문에 평균 고장 간 시간(MTBF)이 UPS보다 30% 이상 더 깁니다. 데이터 센터가 지속적으로 더 높은 에너지 효율성, 배출 감소 및 신뢰성을 요구함에 따라, HVDC 전원 공급 장치에 대한 시장 수요는 계속해서 증가할 것입니다.
1.4 모듈식/분산형 DC 전원 공급
데이터 센터의 전력 시스템에서 높은 신뢰성, 유연한 확장성, 에너지 효율 최적화 및 운영 효율성이라는 핵심 과제를 해결하기 위해 데이터 센터 서버는 모듈형 분산 전원 시스템을 채택하고 있습니다. 모듈형 전원 공급 장치는 컴퓨팅 파워 수요에 동적으로 대응할 뿐만 아니라 중복 아키텍처를 통해 고장 격리 기능을 구현함으로써 시스템 신뢰성을 향상시킵니다. 또한 실제 부하에 따라 온라인 상태인 모듈의 수를 동적으로 조정하여 운영 효율성을 개선할 수 있습니다.
데이터 센터 응용 회로도
2- 데이터 센터 전력 시스템용 인덕터 요구 사항
데이터 센터 전원 시스템에서 인덕터는 중요한 역할을 하는 기본 구성 요소입니다. 전자기 유도 원리를 활용하여 전류의 변동을 방지하고, 전류 출력을 안정화시키며, 전력 변환 과정에서 핵심적인 역할을 하여 전원 시스템의 에너지 효율성과 안정성에 영향을 미칩니다. 다양한 전원 회로는 인덕터에 대해 서로 다른 요구 사양을 가집니다.
AC 전원 시스템에서 인덕터는 주로 전력 인자 보정(PFC) 회로 및 EMI 필터링에 사용된다. PFC 인덕터는 코어 포화를 방지하기 위해 고주파(수십 kHz에서 수 MHz)에서의 과도 전류를 견딜 수 있어야 한다. 이러한 인덕터는 높은 포화 전류, 낮은 코어 손실 및 높은 온도 안정성과 같은 전기적 특성을 가지는 금속 복합재 코어 소재를 사용한다. EMI 필터링에 적용되는 인덕터는 고주파 노이즈 억제 기능을 가져야 하며, 공통 모드 인덕터는 MHz 범위의 노이즈를 억제할 수 있어야 하고, 동시에 낮은 누설 자기 설계를 채택하여 민감한 회로들 간의 간섭을 줄여야 한다.
DC 전원 시스템은 두 가지 시나리오를 포함한다. 하나는 국내 현재 상황에서 일반적으로 240V의 전압을 갖는 HVDC(고전압 DC) 시스템이며, 다른 하나는 분산형 DC 전원(예: 48V 직권 공급)이다. 고전압 DC 전원의 경우 인덕터가 고주파 특성을 가져야 하며, 스위칭 주파수는 MHz 수준에 도달하고 고효율의 DC-DC 변환을 지원하기 위해 저손실 자기 코어를 사용한다. 인덕터는 고전압 절연을 위해 설계되어 고전압 파괴 위험을 피해야 한다. 또한 인덕터는 고전류를 견딜 수 있어야 하며, 지속적인 고전류 작동 조건에서도 낮은 온도 상승을 유지해야 한다. 동시에 인덕터는 고주파 공진 문제를 줄이기 위해 낮은 부수적 정전용량(parasitic capacitance) 요구 사항을 충족시켜야 한다. 분산형 DC 전원의 경우 인덕터는 소형화, 높은 전력 밀도 및 낮은 DCR을 가져 전체 손실을 줄여야 한다.
UPS 시스템의 인덕터는 주로 인버터 출력 필터링 및 배터리 충전/방전 관리 회로에 사용됩니다. 인버터 출력 필터링은 제한된 공간 내에서 100A 이상의 전류를 처리하면서도 낮은 고조파 왜곡 요구 조건을 충족할 수 있도록 소형화되고 높은 전력 밀도를 가진 설계의 인덕터를 필요로 합니다. 페라이트 코어와 다중층 권선 구조를 함께 사용함으로써 필터링 성능을 최적화할 수 있습니다. UPS 전원 공급 장치에 적용되는 인덕터는 배터리의 과도한 충전/방전 중 펄스 전류를 견딜 수 있어야 하며, 포화 방지 특성을 가져야 하므로, UPS 시스템에는 포화 전류가 높으면서도 소형의 인덕터가 요구됩니다.
모듈식 및 분산형 전원 시스템은 표준화된 핫스왑 설계 요구사항을 충족하고, 엄격하게 일관된 인덕터 파라미터를 가지며, 밀폐 공간 내의 방열에 적응할 수 있고, 동작 온도 범위가 -40°C~+125°C까지 확장되는 인덕터를 필요로 합니다. 기존의 고전류 인덕터 및 일체형 인덕터 외에도, TLVR 기술을 사용하면 인덕터의 과도 응답 성능을 향상시킬 수 있습니다.
데이터 센터 전원 아키텍처 및 기술 특성 (온라인 데이터 기반)
3- 데이터 센터 전원 인덕터 수요 동향
데이터 센터 장비에서 컴퓨팅 성능, 전력 밀도, 주파수, 통합도가 높아지는 추세에 따라 인덕터는 다음과 같은 발전 방향을 보이고 있습니다:
① 고전력 밀도. AI 데이터 센터 컴퓨팅 하드웨어의 성능 향상은 인덕터에 높은 요구 조건을 제시하고 있습니다. 인덕터는 서버 전원 장비의 제한된 공간 내에서 더 높은 전력을 처리할 수 있어야 하며, 고온 저항성 또한 향상되어야 합니다.
② 고주파 및 저손실 데이터 센터의 전원 공급 장치(PSU)는 점점 더 갈륨 나이트라이드(GaN) 및 실리콘 카바이드(SiC)와 같은 넓은 밴드갭 반도체 소자를 사용하고 있습니다. 인덕터는 이러한 고주파 소자를 지원하면서 코어 손실을 줄이고 시스템의 변환 효율을 개선해야 합니다.
③ 소형화 및 통합 AI 데이터 센터에서는 서버 및 AI 가속기 카드가 제한된 공간 안에 점점 더 많은 컴퓨팅 유닛을 통합하고 있으며, 이로 인해 인덕터를 포함한 부품들의 소형화가 필요합니다. 이는 크기 축소뿐 아니라 전력 밀도 증가도 요구합니다.
④ 높은 신뢰성 데이터 센터 전원 시스템은 지속적으로 작동하며, 정전이나 가동 중단은 허용되지 않습니다. 중복 설계와 백업 전원 공급을 채택하는 것 외에도 구성 요소의 신뢰성과 온도 안정성이 매우 높아야 하며, 선택된 인덕터 역시 높은 신뢰성을 가져야 합니다.
4-Codaca 인덕터가 데이터 센터 전원 공급 효율 향상에 기여
자기 부품 기술 분야의 산업 선도 기업인 Codaca는 인덕터 제품 솔루션의 맞춤 제작을 전문으로 하고 있습니다. Codaca가 자체 개발한 인덕터는 AI 서버, 데이터 센터 전원 장치 및 통신 장비 등에 널리 사용되고 있습니다.
데이터 센터 전원 공급 장치의 전자 부품에 대한 고성능 요구 사양을 충족하기 위해 Codaca는 고포화, 고효율 코일, 저손실, 경량 일체형 몰드 코일, 고밀도 실장에 적합한 표면실장 전원 코일, 저인덕턴스 전원 코일 및 고주파, 고효율 코일 등 다양한 제품 라인을 독자적으로 개발하였습니다. Codaca 코일은 최대 350A의 포화 전류, 최대 98%의 전력 변환 효율, 최대 165°C의 작동 온도를 제공합니다. 이 제품들은 AEC-Q200 인증을 획득하여 열악하고 복잡한 운용 환경에서도 사용이 가능합니다.
전문적인 코일 설계 역량과 강력한 제조 및 제품 테스트 역량에 기반하여 Codaca는 서버 전원 공급 장치, UPS 전원 공급 장치 등에 사용할 수 있는 다양한 저손실, 고효율, 고신뢰성 코일을 제공하며, 데이터 센터 전원 공급 장치 전체의 효율 향상을 지원합니다.
데이터 센터 전원 시스템에 추천되는 인덕터 모델은 다음과 같습니다:
고전류 전원 인덕터인 Codaca 제품 예를 들어 CPEX /CPEA /CSBA /CSBX /CSCF /CSCM /CSCE 높은 포화 전류, 낮은 직류 저항, 넓은 응용 주파수 범위 및 광범위한 작동 온도 범위를 특징으로 하여 데이터 센터 전원 시스템의 고출력 전류, 고주파 저손실 및 고전력 밀도 요구 사항을 충족합니다.
사출 성형 전력 인덕터 예를 들어 CSAB /CSAG /CSHB /CSEB 성형 풀 실드 구조로 강력한 EMI 저항 성능, 낮은 직류 저항, 고전류 및 낮은 코어 손실을 제공하여 데이터 센터 전원 시스템에서 소형 크기, 고전류 및 EMI 저항 성능 요구 조건을 만족시킵니다.
표면 실장형 전원 인덕터 예를 들어 SPRH /CSUS /CRHSM /SPQ /SPD /SPBL 자기 차폐 구조를 채택하여 강력한 EMI 저항 성능, 소형 사이즈 및 고밀도 마운팅에 적합합니다.
저자화율 전원 인덕터 CSHN 시리즈 gPU 전원 공급을 위해 설계되었습니다. 코다카(Codaca)가 서버 전원 장치용으로 독자적으로 개발한 CSHN 인덕터는 완전 차폐 구조로 EMI 저항성이 뛰어나며, 우수한 DC 바이어스 특성을 제공합니다. 당사의 고주파, 고전류 인덕터 시리즈는 고전류 전원 응용 분야에 특화되어 높은 에너지 저장 용량, 초저항 DC 저항 및 소형 크기를 제공하여 VRM 및 다상 부크 레귤레이터에 적합합니다.
또한 코다카 인덕터는 데이터 센터 스위치, 라우터, 스토리지 시스템 및 모니터링 시스템 등에 널리 사용되며, 고전류 인덕터, 일체형 인덕터, 공통 모드/표면 실장 인덕터 등을 포함하여 고객의 요구에 따라 유연하게 맞춤 제작이 가능합니다. 자세한 내용은 코다카 영업 담당자에게 문의하시거나 코다카 웹사이트를 방문해 주십시오.
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