أخبار التكنولوجيا

تصميم أنظمة تبريد مراكز البيانات من الجيل التالي باستخدام كربيد السيليكون



تشكل مراكز البيانات العمود الفقري للعالم الرقمي، حيث تضم الخوادم الضخمة التي تعمل على تشغيل الإنترنت والحوسبة السحابية وغيرها من الخدمات المعتمدة على البيانات. ومع تزايد الطلب على هذه الخدمات، تزداد أيضًا كمية الطاقة التي تستهلكها.

وفي الولايات المتحدة، استهلكت مراكز البيانات ما يقدر بنحو 90 تيراواط/ساعة من الكهرباء في عام 2020، وهو ما يمثل حوالي 1.8% من إجمالي استهلاك الكهرباء في الولايات المتحدة. ومن المتوقع أن يرتفع هذا الرقم إلى 140 تيراواط ساعة بحلول عام 2030، أي بزيادة قدرها 56%. تؤدي الزيادة العالمية في تطبيقات الذكاء الاصطناعي (AI) إلى زيادة الضغط على استهلاك الطاقة في مراكز البيانات، مما يستلزم خوادم إضافية، وبالتالي المزيد من الطاقة لتشغيلها. إن النمو العالمي في مراكز البيانات يجعل من الضروري أن يجد مصممو الأنظمة طرقًا جديدة ومبتكرة لتقليل استهلاك الطاقة، مع تحسين القدرة الحاسوبية.

تعد مراكز البيانات أنظمة معقدة وهناك طرق عديدة لتقليل الاستهلاك الإجمالي للطاقة. ومن بين الأنظمة الفرعية المختلفة، تمثل أنظمة تبريد مراكز البيانات جزءًا كبيرًا من إجمالي استهلاكها للطاقة، مع تقديرات تتراوح بين 20% إلى 45%. يمكن أن تختلف النسبة المئوية الدقيقة بناءً على نوع نظام التبريد المستخدم ومناخ الموقع ومعدات تكنولوجيا المعلومات التي يتم تبريدها. يمكن تحسين كفاءة أنظمة التبريد داخل مراكز البيانات بشكل كبير باستخدام كربيد السيليكون مما يؤدي إلى تقليل خسائر النظام بنسبة تصل إلى 50%، وتحقيق معايير الكفاءة العالمية، وتعزيز أداء النظام مع تقليل الضوضاء المسموعة، وسرعات دوران أسرع وتحكم أكثر دقة.

خسائر أقل بنسبة تصل إلى 60% على مستوى النظام باستخدام وحدات MOSFET من SiC بجهد 1200 فولت

تتكون أنظمة تبريد مراكز البيانات من مرحلة AC-DC (الواجهة الأمامية النشطة) تليها مرحلة العاكس DC-AC. باستخدام ستة وحدات MOSFET من SiC 1200 فولت (C3M0075120K) بدلاً من IGBTs في AFE لنظام تبريد مزود بثلاث مراحل بقدرة 11 كيلو وات، يمكن للمصممين تحقيق تحسين في الكفاءة بنسبة 0.9%. يمكن تحقيق تحسين إضافي عند ترقية العاكس أيضًا باستخدام 1200 فولت C3M0075120K SiC MOSFET. يوضح الشكل 1 والشكل 2 أدناه مقارنة فقدان التوصيل وخسارة التبديل بين 1200 فولت SiC MOSFET النموذجي و1200 فولت IGBT بنفس التيار المقنن. في ظل الأحمال المنخفضة، تصل خسائر التوصيل SiC MOSFET إلى نصف تلك الموجودة في IGBT وتوفر خسائر تحويل أقل بنسبة تصل إلى 90% من IGBT عن طريق التخلص من تيار إيقاف التشغيل.

الشكل 1: فقدان التوصيل، 1200 فولت SiC MOSFET مقابل IGBT.
الشكل 1: فقدان التوصيل، 1200 فولت SiC MOSFET مقابل IGBT
الشكل 2: خسارة التبديل، 1200 فولت SiC MOSFET مقابل IGBT.
الشكل 2: خسارة التبديل، 1200 فولت SiC MOSFET مقابل IGBT

مع انخفاض خسائر التحويل، يمكن لوحدات Wolfseed SiC MOSFETs العمل بترددات تحويل أعلى بكثير من IGBTs، مما يسمح لمصممي النظام باستخدام محولات أصغر وأخف وزنًا في محركات الأقراص المروحية ذات السرعة المتغيرة. وتعني المحولات الأصغر حجمًا تقليل فقد النحاس، مما يساهم بشكل أكبر في تحسين كفاءة استخدام الطاقة. بالإضافة إلى ذلك، تتيح ترددات التبديل الأعلى تحكمًا أكثر دقة في سرعة المروحة، مما يضمن أداء التبريد الأمثل في ظروف التحميل المختلفة. مع فقدان توصيل الحمل الخفيف المحسّن، تتيح دوائر SiC MOSFET منحنى أكثر تسطيحًا وعالي الكفاءة في جميع ظروف الحمل، مما يفيد بشكل أكبر التطبيقات ذات السرعات المتغيرة.

كما هو موضح في الشكل 3، تم تصميم عاكس محرك Wolfspeed ثلاثي الأطوار عالي الكفاءة بقدرة 11 كيلووات (CRD-11DA12N-K) لاختبار 1200 فولت SiC MOSFETS من Wolfspeed في تطبيقات التدفئة والتبريد الصناعية. يحقق هذا التصميم أعلى كفاءة بنسبة 99% وكفاءة تحميل كاملة بنسبة 98.6%؛ نطاق جهد تشغيل واسع يتراوح بين 550-850 فولت تيار مستمر وتحكم موجه نحو المجال بدون مستشعر بحلقة مغلقة. وتظهر نتائج الاختبار في الشكل 4 والشكل 5.

الشكل 3: عاكس محرك ثلاثي الطور بقدرة 11 كيلووات مع 1200 فولت SiC MOSFET (C3M0075120K).
الشكل 3: عاكس محرك ثلاثي الطور بقدرة 11 كيلووات مع 1200 فولت SiC MOSFET (C3M0075120K)
الشكل 4: مقارنة الكفاءة عند 16 كيلو هرتز.
الشكل 4: مقارنة الكفاءة عند 16 كيلو هرتز
الشكل 5: مقارنة الكفاءة عند 32 كيلو هرتز.
الشكل 5: مقارنة الكفاءة عند 32 كيلو هرتز

كما هو موضح أعلاه، من خلال استبدال IGBTs السيليكون بكربيد السيليكون، الذي يعمل بسرعة 16 كيلو هرتز، يمكن تحسين كفاءة محرك المحرك بنسبة> 1.2%، مما يؤدي إلى انخفاض> 50% في فقد الطاقة. مع انخفاض كفاءة جهاز IGBT تحت تردد التشغيل العالي، يمكن لأجهزة كربيد السيليكون مضاعفة تردد التشغيل بسهولة من 16 كيلو هرتز إلى 32 كيلو هرتز للمساعدة في تقليص أحجام المكونات السلبية، مع الحفاظ على كفاءة> 98٪.

حقق كفاءة أعلى من خلال المشتتات الحرارية الأصغر حجمًا المزودة بـ SiC

تقدم كربيدات السيليكون قيمة هائلة على مستوى النظام في أنظمة تبريد مراكز البيانات، مما يوفر كفاءة عالية وكثافة طاقة مع مقاومة حرارية محسنة، ويتيح أنظمة تبريد أصغر حجمًا وأقل تكلفة بشكل عام. على سبيل المثال، في ضاغط بقدرة 25 كيلو واط مزود بواجهة أمامية نشطة بستة مفاتيح ومستويين (AFE) يتم التبديل عند 45 كيلو هرتز، يمكن للمصممين تحقيق تحسين في الكفاءة بنسبة 1.3% باستخدام SiC في مرحلة الواجهة الأمامية عند المقارنة مع محول السيليكون عند 20 كيلو هرتز عندما يتم استبدال IGBTs المنفصلة بوحدات MOSFET المنفصلة C3M0032120K من Wolfspeed (1200V / 32mOhm). يمكن تحقيق تحسين الكفاءة بنسبة 1.1% في العاكس عندما يتم قياس وحدة الطاقة ذات الجسر الكامل المصنفة 30 A من Wolfspeed CCB032M12FM3 (Wolfpack) بشكل متحفظ مقابل وحدة Si-IGBT ذات التصنيف 50A و100 A، وكلاهما يتحول عند 8 كيلو هرتز. يؤدي هذان التغييران معًا إلى تحسين الكفاءة بنسبة 2.4% وتقليل الخسائر بنسبة 50% على مستوى النظام.

أحد أبرز التحسينات التي يمكن إجراؤها في العاكس باستخدام كربيد السيليكون هو التخفيض الكبير في الحرارة المتولدة عن النظام، مما يمكّن المصممين من استخدام مشتتات حرارية أصغر وتصميم ضواغط أصغر حجمًا وأخف وزنًا بشكل عام لأنظمة تبريد مراكز البيانات، أو تمكين المزيد من التبريد باستخدام ضاغط ذو أبعاد مماثلة كما كان من قبل.

الشكل 6: عاكس بقدرة 25 كيلووات، Fsw = 8 كيلو هرتز، المشتت الحراري الأكبر Si IGBT: 1.37 لتر (0.7 درجة مئوية/وات)، المشتت الحراري الأصغر من كربيد السيليكون 0.8 لتر (0.99 درجة مئوية/واط).
الشكل 6: عاكس بقدرة 25 كيلووات، Fsw = 8 كيلو هرتز، مشتت حراري Si IGBT أكبر: 1.37 لتر (0.7)°C/W)، بالوعة حرارية أصغر من كربيد السيليكون 0.8 لتر (0.99°ج / ث)

تم تحقيق النتائج في الرسوم البيانية أعلاه باستخدام مشتت حراري أصغر بنسبة 77% لعاكس كربيد السيليكون مقارنةً بـ IGBT. على الرغم من وجود مشتت حراري أكبر بكثير لوحدات Si، إلا أن درجة حرارة الوصلة لوحدة 50 A IGBT لا تزال أعلى بكثير من حد درجة الحرارة البالغ 150 درجة مئوية، لكن وحدة 32 A SiC ووحدة 100 A IGBT ينتهي بهما الأمر عند نفس درجة حرارة الوصلة التي تبلغ حوالي 129 درجة مئوية. ومن الجدير بالذكر أيضًا أن الكفاءة في عاكس كربيد السيليكون تزيد بنسبة 1.1٪. بالإضافة إلى ذلك، فإن تحسين الكفاءة المذكور أعلاه ليس فقط عند الأحمال القصوى ولكن أيضًا عند الأحمال الجزئية. في بعض الأحمال الجزئية، يكون تحسين الكفاءة أعلى وهو مناسب بشكل مثالي لملفات تعريف الحمل النموذجية لأنظمة تبريد مراكز البيانات.

باختصار، يؤدي استخدام المشتت الحراري المنخفض والأكثر تحسينًا مع كربيد السيليكون في نظام مزود بثلاث مراحل، بقدرة 25 كيلووات، إلى تحسين الكفاءة بشكل عام بنسبة 2.4% مع تقليل الفاقد بمقدار 600 وات مع تمكين أنظمة تبريد إجمالية أصغر حجمًا وأخف وزنًا.

خاتمة

في الختام، فإن استبدال وحدات IGBT التقليدية من كربيد السيليكون بوحدات MOSFET من كربيد السيليكون بقدرة 1200 فولت ووحدات الطاقة في أنظمة تبريد مراكز البيانات بقدرة 11 كيلووات و25 كيلووات يمكن أن يؤدي إلى تحسين كفاءة النظام بشكل كبير، مما يوفر زيادات تصل إلى 2.4% في كفاءة النظام بشكل عام. من الممكن تحسين الكفاءة العالية عند مستويات الطاقة الأعلى في جميع أنحاء ملف الحمل، مما يؤدي إلى توفير هائل في الطاقة. يوفر كربيد السيليكون أيضًا كثافة طاقة محسنة بسبب المكونات السلبية الأصغر والمشتتات الحرارية ويؤدي إلى تحسين تكلفة النظام الإجمالية وحجمه. بالإضافة إلى ذلك، فإن إمكانيات درجة حرارة التوصيل العالية والتبديد الحراري المحسن لأجهزة SiC مع انخفاض الخسائر تسمح للمصممين ببناء أنظمة أكثر إحكاما، مما يتيح التكامل السهل بين محركات الأقراص والمحركات والدخول في الجيل التالي من أنظمة تبريد مراكز البيانات الفعالة.

تم نشر تصميم أنظمة تبريد مراكز البيانات من الجيل التالي باستخدام كربيد السيليكون لأول مرة على Power Electronics News.

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *