伦埋琪琪电影院Σco時間丨突破更高功率密度 華為100kW UPS功率模塊技術解密

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3月13日,#Σco時間#舉辦瞭《超高密UPS模塊技術解密會》——華為數據中心能源全球營伦埋琪琪电影院銷支持部部長韓冬為大傢揭開超高密UPS模塊伦埋琪琪电影院的神秘面紗,並通過實時連線華為團泊窪實驗室進行產品測試演示環節。在萬物互聯的智能時代,數據已成為智能世界的關鍵資源,而數據中心作為數據流轉樞紐和業務承載平臺,也成為全球數字經濟的重要基礎設施之一。隨著數據流量呈指數增長,數據中心設備功耗也在不斷攀升,綠色節能成為數據中心的關鍵課題,降低基礎設施能耗更成為當下數字時代最為迫切的需求。數據中心對於供電穩定性有著極高的要求,因此需要配備不間斷電源UPS。而華為模塊化UPS效率高達97%,同比業界96%效率的UPS,全生命周期可節省能耗500萬度。華為智能模塊化數據中心相比於業界數據中心,全生命周期內可節省電量1000萬度。在華為行業數字化轉型大會2020上,華為面向全球伦埋琪琪电影院發佈全新UPS功率模塊,單模塊功率密度達到100kW/3U,較業界主流水準提升瞭1倍。基於100kW模塊的全新FusionPower 2.0數據中心供配電解決方案,實現“一櫃一兆瓦”(單標準機櫃可支持一兆瓦容量),相對於傳統並機端到端方案節省占地50%以上,有效幫助數據中心行業客戶減小供配電系統占地面積,提升數據中心業務設備空間使用率,提升收益,將有效幫助數據中心行業客戶“開源節流”。3U 100kW,1櫃1兆瓦,華為如何成就極致超高密?彪悍的性能背後,暗藏哪些硬核黑科技?全方位智能優化,華為如何引領UPS跨代升級?3月13日,#Σco時間#舉辦瞭《超高密UPS模塊技術解密會》——華為數據中心能源全球營銷支持部部長韓冬為大傢揭開超高密UPS模塊的神秘面紗,並通過實時連線華為團泊窪實驗室進行產品測試演示環節,包括產品的功率模塊熱插拔、智能化管理功能、功率模塊滿載情況下的溫升測試等測試項目。新技術驅動下的數據中心供電趨勢隨著AI、大數據、雲計算、物聯網等技術的不斷發展,數據中心將變得更大型、更復雜。大數據,AI和IoT等ICT技術也更多的應用於數據中心,如智能機器人,人臉識別等實現更簡便智能的運維。韓冬表示,雲數據中心的趨勢是規模愈發增大,因為考慮設備投入,人員投入等影響總擁有成本(TCO)和投資回報率(ROI)的因素,在一定范圍內,數據中心規模越大,單櫃的平均TCO就更小。邊緣數據中心的趨勢是數量提高,隨著5G時代來臨,用戶對體驗更完美的追求需要數據中心具有更好的體驗,更低的時延。伴隨IT算力持續演進,CPU和服務器功率持續提升,數據中心必將向高密化發展。比如以華為AI服務器RH2288為例,單櫃功率密度從4kW每櫃提高至10kW每櫃,這要求供電系統需要跟隨IT系統的功率密度提升速度。但是,傳統大型數據中心供配電系統仍存在可靠性低、能耗高、占地大、運維難等問題。韓冬說,基於可用性及彈性擴容的模塊化供電是UPS市場的發展趨勢。除瞭模塊化的發展趨勢之外,匹配IT功率密度攀升,UPS功率密度持續演進,高功率密度也是UPS的發展趨勢。“從十幾年前的一櫃100k,到後來的數個模塊100k,今天華為更進一步,做到瞭單模塊功率密度100Kw/3U,這將引領數據中心供電到新的時代。”華為100kW UPS功率模塊的三大優勢功率模塊密度的提升就意味著整機密度的提升,100kW/3U帶來瞭1櫃1兆瓦的高功率密度。未來IT負載將超過80%為AI負載,單位體積的負載密度持續增加,供電的高密能夠有效匹配負載密度的增加,為數據中心減少供電的占地,提升出櫃率。韓冬表示,要滿足高密,必須滿足三個要素,第一:體積小,第二,效率高,熱耗小,第三,散熱能力強。華為100kW UPS功率模塊在體積、熱耗、散熱等方面進行瞭創新設計。在體積方面,華為創新專利助力更小體積,打造刀片級功率模塊。比如“拓撲池化”專利,體積降低40%;磁集成專利,電感體積降低20%。傳統拓撲中AC/DC和充放電器DC/DC是分開回路,采用高頻率開關器件控制(0切換),所以DC/DC要做得很大,而華為拓撲池化的設計思路是DC/DC充電和整流拓撲復用。磁集成就是減少整流逆變中電感的體積,通過該技術,可以將整流逆變中的電感體檢降低20%。“傳統的電感是分立式的,類似於吃火鍋時,我要同時吃清湯和紅油的,這個時候給你提供一個鴛鴦鍋,減少瞭體積,也同時滿足瞭要求。當然,我們的磁集成沒鴛鴦鍋這麼簡單。”韓冬說。在熱耗方面,華為100kW UPS功率模塊采用三電平於交錯並聯拓撲架構、先進器件優化及數字控制技術降損耗。具體來說,傳統兩電平或者工頻機的6脈沖或12脈沖,已被證實器件損耗高,體積大,當前主流廠傢的高頻UPS都采用三電平拓撲,成熟應用,可靠性高。三電平技術優勢明顯,三電平拓撲IGBT、二極管和電感兩端電壓隻有兩電平的一半;耐壓低的IGBT和二極管具有更低的開關損耗和導通損耗;器件數量合適,綜合損耗低。而采用拓撲的交錯並聯技術,可以進一步降低功率器件紋波和損耗,減少濾波電器件的體積和損耗。交錯並聯技術可以降低IGBT和二極管的紋波電流,從而降低器件損耗;減少濾波電感及電容的損耗、數量和體積,降低濾波器件損耗。韓冬說,半導體部件(IGBT、二極管、晶閘管)和電感的損耗占比最高,優化部件損耗提高效率。華為采用第五代低損耗技術IGBT,導通/開關損耗降低20%;采用SIC(碳化矽)二極管實現0開關損耗;電感采用專利磁芯,銅損&磁損降低10%。此外,華為風扇轉速無級調速,與負載率完美匹配,實現最優化降損,而先進數字及通信技術保障模塊均流,良好的一致性。在散熱方面,華為UPS通過優異的散熱設計,保障瞭系統強大的散熱能力,可在40℃長期不降額工作。華為UPS通過先進的計算流體動力學軟件進行仿真,預測器件、單板和系統的風速及溫度場,給出合理的佈局、風道及風扇選型方案,指導PCB和結構設計,然後不斷通過實驗驗證、優化,得到最優的散熱方案。仿真平臺避免瞭傳統熱設計中人工預估、驗證、修改、再驗證這樣效率低下,隻能得到一個可接受的結果而非最優效果的設計方式。其中多物理場仿真平臺,精度較業界水平高30%。通過整流溫升仿真、逆變溫升仿真,基於三大場(電磁場(電磁兼容,信號完整性)、溫度場(風量,風速,溫升)、應力場(電氣應力,機械應力))仿真的高計算能力仿真技術,力求在各種約束條件下,輔助系統和模塊的最優佈局。而高精Mockup仿真,指導精準散熱設計,借助部件(芯片,半導體)內部建模,實現IGBT內部晶元的精確熱流密度設計。為瞭增強散熱效果,華為通過系統和部件極致設計及佈局實現超強散熱能力。在散熱器上設置波紋,增強對流散熱系數,散熱能力可提升10%。而通過風扇與風道合理匹配,精細化風量控制等措施,風扇的散熱能效比得到瞭大幅提升。華為通過“海洋式”溫度采樣與數據運算,多點無死角調控散熱;器件全覆蓋全工況測試,IGBT、電感、二極管和母線電容溫度裕量大。華為助力數據中心行業客戶“開源節流”華為100kW UPS功率模塊,將有效幫助數據中心行業客戶“開源節流”:通過高密化的設計,FusionPower 2.0數據中心供配電解決方案1200kVA的系統隻需12個功率模塊,實現“一櫃一兆瓦”,考慮UPS輸入輸出配電,端到端系統方案從8櫃降低為4櫃,節省占地超過50%。對於ISP行業,更多的業務空間意味著更高的收入,以部署10套1200kVA的華為FusionPower2.0系統為例,可節約40櫃位空間,每年幫助ISP客戶增加400萬元人民幣的收入。FusionPower 2.0相比於業界傳統600k兩並機方案功率密度可提升50%,考慮輸入輸出配電的工況,業界傳統需要2個輸入櫃,4個UPS櫃以及兩個輸出櫃,而FusionPower 1200kVA方案隻需要一個輸入櫃,一個輸出櫃即可,8櫃變4櫃。FusionPower 1200k機型的寬度僅1600mm,相比於主流機型,占地減少50%,同時對維護空間要求更低。FusionPower系統效率高達97%,1%效率提升生命周期節省電費40多萬。FusionPower通過對關鍵部件的冗餘設計可實現無單點故障,冗餘部件還支持熱插拔,可以非常便捷的更換維護,相比於傳統塔機必須下電維護,功率單元無冗餘,以及整機運維等設計,模塊化UPS具有更高的可靠性。此外,FusionPower iPower全鏈路監控,變被動為主動AI預測性維護。FusionPower最大易用性,來源於模塊化。模塊化第一個優勢是易擴容,擴容平穩,無斷電風險,隻需提前預留好配電即可。模塊化第二個優勢是易維護。任何設備不可能不壞,所以我們可靠性設計的原則是最好不出問題,出瞭問題不要影響業務,影響瞭業務能夠快速恢復。出瞭問題能夠快速修復即使易用性的問題,也是可靠性的問題。對於模塊化UPS,模塊故障,隻需要取出故障模塊更換即可,隻要維護人員經過簡單的培訓就可以進行維護,不像傳統塔式UPS必須由廠傢專門的技術人員維護。華為的模塊化相比業界的一個優勢是,除瞭功率單元可以熱插拔外,還盡可能擴大模塊化的范圍,比如能源控制單元和旁路模塊都支持熱插拔,5分鐘即可完成在線維護。2012年華為開始推模塊化,隨著鋰電“風口”的來臨,華為又推出瞭智能鋰電解決方案。作為UPS的最佳伴侶,未來華為將從單純的提供UPS部件向同時為客戶提供UPS和智能鋰電一體化解決方案。極致高密FusionPower 2.0聯合華為高能量密度SmartLi智能鋰電,相對於傳統供電方案,考慮前後維護空間,實際節省占地面積超過50%。同時,整體解決方案全模塊化設計,支持插拔式維護,SmartLi獨有的主動均流技術,支持新舊電池組混並,聯合華為FusionPower模塊化UPS可實現真正的在線功率和備電的分期擴容。比如第一期為600kW負載10分鐘備電部署1.2M框架和6個100k功率模塊,配套6個空鋰電櫃,其中3個配置鋰電池模塊,另外三個連接好線纜。第二期擴容至1200kW,10分鐘備電,隻需要增加6個100k功率模塊和剩餘3個櫃的鋰電池模塊即可。SmartLi采用業界安全環保的磷酸鐵鋰電芯,熱失控不起火,智能均壓控制技術,確保單電池模塊故障系統可正常運行,保證系統可靠性。通過自帶的三維立體防護BMS(Battery Management System)電池管理系統,保障鋰電可靠性,配合華為FusionPower和智能網管可有效降低OPEX。據悉,華為將繼續深耕智能化,采用更多的AI技術,在聲音識別、圖像識別等手段上創新,通過智能化手段提升運維效率和供電系統可靠性。除瞭部件的模塊化,華為在今年還將推出更加融合、更加智能的電力模塊解決方案,為客戶提供一個端到端的一體化供配電解決方案。韓冬表示:“得益於強大的技術實力與電源行業的豐富經驗,華為持續投入研發創新,突破更高功率密度,從未止步,滿足雲時代的大型數據中心對供電極簡架構、極高可靠、極簡運維的新需求,幫助客戶快速完成數字化轉型。”