EN
Szybkie linki
Wraz z szybkim rozrostem dużych modeli sztucznej inteligencji oraz skalą klastrów obliczeniowych centra danych AI stawiają coraz wyższe wymagania dotyczące wydajności i niezawodności systemów litowo-jonowych zasilania rezerwowego i magazynowania energii. Jako centralny moduł sterujący jednostki litowej zasilania rezerwowego System Zarządzania Baterią (BMS) realizuje kluczowe funkcje, takie jak monitorowanie stanu ogniw, ochrona przed ładowaniem/rozładowaniem, wyrównywanie ogniw, powiadamianie o usterkach oraz zarządzanie bezpieczeństwem. W konsekwencji niezawodność jego komponentów wewnętrznych bezpośrednio wpływa na ciągłość zasilania oraz bezpieczeństwo działania infrastruktury obliczeniowej. Korzystając z własnych, opracowanych przez siebie formuł materiałów rdzeni magnetycznych oraz 25-letniego doświadczenia technicznego w branży cewek, Codaca wprowadził dedykowaną serię cewek mocy przeznaczonych specjalnie do zastosowań w systemach zarządzania bateriami (BMS) zapasowych w centrach danych AI. Te komponenty bezpośrednio rozwiązują kluczowe wyzwania inżynieryjne – takie jak dwukierunkowe wysokie prądy udarowe, zakłócenia wysokoczęstotliwościowe spowodowane falowaniem napięcia, ciągła eksploatacja przez cały rok oraz skrajne wahania temperatury otoczenia w środowisku centrów danych – zapewniając tym samym magnetyczne rozwiązania o wysokiej niezawodności dla architektur magazynowania energii i zasilania zapasowego w centrach danych AI.
1. Nowe wyzwania aplikacyjne stojące przed systemami BMS zapasowymi w centrach danych AI
Obciążenia obliczeniowe serwerów AI wykorzystujących jednostki przetwarzania graficznego (GPU) charakteryzują się gwałtownymi, milisekundowymi fluktuacjami, przy jednoczesnych szczytowych skokach mocy osiągających kilkakrotność obciążenia ustalonego. Wyłącznie tradycyjne, scentralizowane architektury UPS stają się ekonomicznie i operacyjnie niewystarczające do dopasowania się do tak dynamicznych cech obciążenia. W konsekwencji rozwiązania oparte na litowo-jonowych jednostkach buforowych (BBU) stały się główną architekturą techniczną nowo budowanych centrów danych AI (AIDC). Jako rdzeń bezpieczeństwa litowo-jonowej jednostki zasilania rezerwowego, System Zarządzania Baterią (BMS) szeroko wykorzystuje cewki mocy i sygnałowe w swoich wewnętrznym modułach konwersji mocy DC-DC, aktywnych obwodach bilansowania komórek oraz sieciach filtracji sygnałów. Wady wydajnościowe cewek lub awarie tych komponentów mogą bezpośrednio powodować anomalie zasilania BMS, nieprawidłowości w bilansowaniu komórek oraz błędy estymacji poziomu naładowania (SOC). W warunkach ekstremalnych te problemy mogą spowodować natychmiastowe wyłączenie baterii w trybie ochronnym, co ostatecznie prowadzi do wyłączenia serwerów i przerwania usług obliczeniowych.
W porównaniu z typowymi systemami zarządzania energią przemysłową (BMS), systemy BMS zapasowe dla centrów danych sztucznej inteligencji stwarzają kilka unikalnych problemów projektowych:
(1) Dwukierunkowe przejściowe wysokoprądowe skoki: Systemy zasilania zapasowego muszą dostarczać moc o wysokim poziomie w krótkich okresach oraz wspierać redukcję szczytowego obciążenia. W warunkach gwałtownych zmian obciążenia (duże wartości di/dt) cewki muszą wytrzymać duże amplitudy prądów impulsowych oraz wysokie szczytowe skoki prądu. Przeciążenie rdzenia magnetycznego może spowodować awarię zasilania BMS oraz fałszywe aktywacje zabezpieczeń.
(2) Ciagła eksploatacja przez cały rok: Ponieważ centra danych funkcjonują przez 8–10 lat, cewki zasilające są narażone na ciągłe obciążenie przez cały okres ich użytkowania. Oznacza to surowe wymagania dotyczące strat miedziowych (DCR), strat w rdzeniu magnetycznym oraz długotrwałej stabilności wzrostu temperatury; konieczne jest całkowite wykluczenie dryfu parametrów wynikającego z starzenia się oraz awarii termicznej.
(3) Skrajnie zakłócone środowisko elektromagnetyczne w gęstych szafach serwerowych: Wysokogęstosciowe szafy serwerowe zawierają liczne zasilacze impulsowe SiC/GaN, które generują intensywne szczytowe zakłócenia o wysokiej częstotliwości. W systemie BMS obwody próbkowania i pomiaru napięcia/prądu w analogowym interfejsie frontowym (AFE) przetwarzają wysoce czułe sygnały. Ucieczka strumienia magnetycznego z nieekranowanych lub słabo ekranowanych cewek może indukować zakłócenia w tych ścieżkach próbkowania, powodując błędy obliczeniowe w stanie naładowania (SOC) oraz stanie zdrowia (SOH), co ostatecznie zagrozi bezpieczeństwem akumulatora.
(4) Warunki pracy pokładowej w szerokim zakresie temperatur: Lokalne gorące punkty często powstają na płytach drukowanych (PCB) systemów BMS, dlatego komponenty pokładowe muszą zachowywać stabilne parametry elektryczne w szerokim zakresie temperatur od −40 °C do +125 °C. Kluczowe jest, aby cewki mocy wykazywały minimalne obniżenie prądu nasycenia przy podwyższonych temperaturach roboczych, zapewniając tym samym niezawodną pracę obwodów.
(5) Układ sprzętowy o wysokiej gęstości mocy: Przestrzeń w szafach serwerowych jest ograniczona, co powoduje ciągłe zwiększanie gęstości integracji płytek kontrolerów BMS. W związku z tym indukcyjności mocy muszą łączyć wysoką zdolność przewodzenia prądu z miniaturyzowanym pakowaniem typu SMD, jednocześnie spełniając rygorystyczne standardy odporności mechanicznej i wibracyjnej na poziomie PCB.
2. Kluczowa rola indukcyjności w systemach zapasowych BMS dla centrów danych AI
W architekturach BMS z akumulatorami litowo-jonowymi przeznaczonych do zapewnienia zasilania awaryjnego w centrach danych AI indukcyjności mocy są stosowane głównie w etapach konwersji mocy, obwodach balansowania ogniw oraz podobwodach filtracji sygnałów. Stabilność działania każdego z tych etapów ma bezpośredni wpływ na ogólną niezawodność i bezpieczeństwo systemu zasilania awaryjnego.
(1) Główny obwód DC-DC sterownika
Główna płyta układu BMS, układy scalone AFE (Analog Front-End), wzmacniacze operacyjne do próbkowania oraz transceivery interfejsu komunikacyjnego korzystają z wielu stabilnych napięć niskoprądowych, generowanych z napięcia głównego magistrali akumulatora za pośrednictwem przetwornic DC-DC typu Buck/Boost. Induktory mocy, działające jako kluczowe elementy magazynowania i filtracji energii, zapewniają czyste i stabilne napięcia zasilania dla jednostek sterujących BMS. W przypadku nasycenia się induktora lub wystąpienia niezwykłych strat mocy może dojść do niestabilności głównego zasilania BMS, co bezpośrednio prowadzi do utraty kluczowych funkcji monitorowania i ochrony akumulatora.
(2) Obwód aktywnego wyrównywania
Ze względu na dużą liczbę ogniw w modułach akumulatorów rezerwowych z wykorzystaniem sztucznej inteligencji spójność ogniw stopniowo się pogarsza w trakcie długotrwałych cykli ładowania i rozładowania. Aktywne topologie równoważenia oparte na cewkach wykorzystują cewki magazynujące energię do przesyłania energii między poszczególnymi ogniwami akumulatora. Stabilność parametrów tych cewek decyduje bezpośrednio o skuteczności i dokładności równoważenia, zapewniając pełną wykorzystanie pojemności całego pakietu akumulatorów, ograniczając ryzyko przeladowania i przeładowania ogniw oraz wydłużając ogólną żywotność akumulatorów do przechowywania energii. Typowymi aktywnymi topologiami równoważenia ogniw są: układy oparte bezpośrednio na transformatorach (dwukierunkowe konwertery typu flyback), architektury z macierzą przełączników i transformatorami oraz obwody równoważenia nieizolowane, dwukierunkowe, oparte na cewkach buck-boost. Choć dwie pierwsze topologie wykorzystują transformatory do przesyłania energii między poszczególnymi ogniwami, to dwukierunkowe równoważenie buck-boost działa zgodnie z podstawowymi zasadami obwodów buck-boost, zapewniając prostszą i bardziej bezpośrednią realizację sprzętową. Zasada działania aktywnego równoważenia buck-boost polega na bezpośrednim przesyłaniu ładunku między sąsiednimi ogniwami akumulatora, a nie na przemieszczaniu energii pomiędzy odległymi miejscami w pakiecie. Takie rozwiązanie znacznie upraszcza złożoność obwodu równoważenia, jednocześnie w pełni wykorzystując jednoczesną pracę wielu układów równoważących do ponownego rozprowadzania ładunku w całym łańcuchu akumulatorów.
Rysunek 1. Topologia aktywnego bilansowania dwukierunkowego typu buck-boost
Jak pokazano na rysunku 1, jeden dwukierunkowy układ bilansujący typu buck-boost jest skonfigurowany dla każdej pary ogniw. Dzięki trybom bilansowania buck/boost zapewnia on dwukierunkową wymianę ładunku między dwoma sąsiednimi ogniwami, co ostatecznie prowadzi do uzgodnienia pojemności wszystkich ogniw. W trybie bilansowania buck aktywny układ bilansujący przesyła energię z górnego ogniwa do dolnego ogniwa; w trybie bilansowania boost przesyła energię z dolnego ogniwa do górnego ogniwa.
(3) Obwód filtracji EMI/EMC
Główna szyna ładowania/rozładowania akumulatora wykazuje wysokoczęstotliwościowe pulsacje przełączania oraz przejściowe szczyty zakłóceń. Induktory różnicowe połączone z kondensatorami tworzą sieci filtrujące LC, które tłumią szczyty prądowe wywołane dwukierunkowym przełączaniem mocy, zmniejszają sprzężenie zakłóceń do obwodów próbkowania systemu BMS, chronią dokładność pomiaru napięcia i prądu oraz minimalizują skumulowane błędy estymacji stanu naładowania (SOC). Do tłumienia zakłóceń wspólnych w liniach zasilania stosowane są induktory wspólnego trybu, które blokują zewnętrzną interferencję elektromagnetyczną przed dostaniem się do systemu BMS oraz jednocześnie zapobiegają promieniowaniu wewnętrznego szumu przełączania BMS do urządzeń sąsiednich.
3. CODACA dostarcza niezawodnych cewek do systemów zapasowych BMS w centrach danych opartych na sztucznej inteligencji
Aby spełnić unikalne wymagania operacyjne systemów zarządzania bateriami zapasowymi w centrach danych sztucznej inteligencji (BMS), Codaca zoptymalizowała swoje cewki pod wieloma względami, w tym skład materiału rdzenia magnetycznego, konstrukcję uzwojenia oraz projekt odporności na uszkodzenia. Cewki Codaca zostały zaprojektowane do pracy przy różnych poziomach mocy w obwodach BMS zapasowych dla systemów AI i obejmują kompleksową macierz produktów zweryfikowanych w warunkach rzeczywistych:
(1) Induktory mocy wysokiego prądu
Własne wysokoprądowe cewki przemysłowe firmy Codaca charakteryzują się materiałami magnetycznymi rdzenia o niskich stratach oraz konstrukcją uzwojenia z płaskiego przewodu, zapewniając nadzwyczaj niskie straty w rdzeniu i doskonałą wydajność przy miękkim nasyceniu. W przypadku chwilowych skoków prądu indukcyjność maleje płynnie i stopniowo, a nie gwałtownie – co skutecznie zapobiega całkowitemu nasyceniu rdzenia podczas nagłych szczytów prądu obciążenia. Cewki te oferują maksymalny prąd nasycenia (Isat) do 422 A oraz rozszerzoną temperaturę pracy do 170 °C, dzięki czemu są odporne na ekstremalne warunki środowiskowe związane z wysokimi stałymi prądami obciążenia i dużym obciążeniem termicznym. Podczas długotrwałej pracy przy wysokim prądzie utrzymują niski wzrost temperatury powierzchni, co czyni je idealnym wyborem dla szerokiego spektrum topologii obwodów BMS.
Zalecane produkty: CSBX /CSBA /CPRX /CPRA /CPEX /CPEA
(2) Formowane kondensatory mocy
Własne, formowane dławiki mocy firmy Codaca wykorzystują materiały magnetyczne rdzenia o niskich stratach oraz zaawansowaną technologię gorącego prasowania, co znacznie zmniejsza wymiary komponentów i straty mocy, jednocześnie zwiększając ogólną niezawodność działania. Dzięki całkowicie zabezpieczonej magnetycznie konstrukcji charakteryzują się wyjątkowo niską ucieczką strumienia magnetycznego, zapobiegając sprzężeniu pól magnetycznych wtórnych, które mogłyby zakłócać czułe sygnały pomiaru napięcia i prądu w analogowym układzie wejściowym (AFE). Zapewnia to wysoką dokładność pomiaru stanu naładowania (SOC) i stanu zdrowia (SOH), ogranicza ukryte awarie systemowe spowodowane interferencją elektromagnetyczną (EMI) oraz poprawia zgodność elektromagnetyczną (EMC) całego urządzenia. Dzięki maksymalnej temperaturze pracy dochodzącej do 155 °C oraz szczytowej sprawności konwersji mocy dochodzącej do 98 % dławiki te skutecznie zwiększają ogólną niezawodność systemu BMS oraz maksymalizują sprawność konwersji mocy w układach DC-DC.
Zalecane produkty: CSEG-H /CSEB-H /CSHB /CSAG
(3) Wstrzymanie w trybie wspólnym
Poprzez wybór dławików trybu wspólnego zaprojektowanych z charakterystykami wysokiego oporu w docelowych pasmach częstotliwości inżynierowie mogą skutecznie tłumić szumy trybu wspólnego oraz ograniczać wpływ zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) na stabilność działania systemu BMS. Codaca oferuje kompleksową gamę rozwiązań z dławikami trybu wspólnego dostosowanych do różnorodnych wymagań aplikacyjnych klientów.
Zalecane produkty: TCAB /CSTP /CRHCM /CSUC
Wraz z dynamicznym rozwojem sztucznej inteligencji generatywnej systemy magazynowania energii zapasowej dla centrów danych szybko się modernizują i ewoluują. Jako kluczowy element zapewniający bezpieczeństwo zasilania awaryjnego, system zarządzania baterią (BMS) stawia coraz wyższe wymagania w zakresie gęstości mocy, długotrwałej niezawodności oraz wydajności elektromagnetycznej (EMI) komponentów magnetycznych. Codaca, posiadająca 25-letnie doświadczenie w dziedzinie induktorów mocy, wykorzystuje innowacje materiałowe oraz zaawansowane iteracje procesów produkcyjnych, aby oferować kompleksowe rozwiązania induktorowe zoptymalizowane pod kątem BMS w scenariuszach zapasowego magazynowania energii dla centrów danych AI. Niezawodne komponenty magnetyczne mocy Codaca zapewniają stabilną i ciągłą pracę globalnej infrastruktury obliczeniowej.