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突破更高功率密度 华为100kW UPS功率模块技术解密

作者:中国储能电站网 来源:《数据中心建设+》杂志 时间:2020-05-18 浏览:
      基于100kW模块的全新FusionPower2.0数据中心供配电解决方案,实现“一柜一兆瓦”(单标准机柜可支持一兆瓦容量),相对于传统并机端到端方案节省占地50%以上,有效帮助数据中心行业客户减小供配电系统占地面积,提升数据中心业务设备空间使用率,提升收益,将有效帮助数据中心行业客户“开源节流”。

在万物互联的智能时代,数据已成为智能世界的关键资源,而数据中心作为数据流转枢纽和业务承载平台,也成为全球数字经济的重要基础设施之一。随着数据流量呈指数增长,数据中心设备功耗也在不断攀升,绿色节能成为数据中心的关键课题,降低基础设施能耗更成为当下数字时代最为迫切的需求。  

数据中心对于供电稳定性有着极高的要求,因此需要配备UPS。而华为模块化UPS效率高达97%,同比业界96%效率的UPS,全生命周期可节省能耗500万度。华为智能模块化数据中心相比于业界数据中心,全生命周期内可节省电量1000万度。 

在华为行业数字化转型大会2020上,华为面向全球发布全新UPS功率模块,单模块功率密度达到100kW/3U,较业界主流水准提升了1倍。基于100kW模块的全新FusionPower2.0数据中心供配电解决方案,实现“一柜一兆瓦”(单标准机柜可支持一兆瓦容量),相对于传统并机端到端方案节省占地50%以上,有效帮助数据中心行业客户减小供配电系统占地面积,提升数据中心业务设备空间使用率,提升收益,将有效帮助数据中心行业客户“开源节流”。  

100kW/3U,1柜1兆瓦,华为如何成就极致超高密?彪悍的性能背后,暗藏哪些硬核黑科技?全方位智能优化,华为如何引领UPS跨代升级?3月13日,华为举办了《超高密UPS模块技术解密会》。华为数据中心能源全球营销支持部部长韩冬为大家揭开超高密UPS模块的神秘面纱,并通过实时连线华为团泊洼实验室进行产品测试演示环节,包括产品的功率模块热插拔、智能化管理功能、功率模块满载情况下的温升测试等测试项目。

1 新技术驱动下的数据中心供电趋势

随着AI、大数据、云计算、物联网等技术的不断发展,数据中心将变得更大型、更复杂。大数据,AI和IoT等ICT技术也更多的应用于数据中心,如智能机器人,人脸识别等实现更简便智能的运维。  

韩冬表示,云数据中心的趋势是规模愈发增大,因为考虑设备投入、人员投入等影响总拥有成本(TCO)和投资回报率(ROI)的因素,在一定范围内,数据中心规模越大,单柜的平均TCO就更小。边缘数据中心的趋势是数量提高,随着5G时代来临,用户对体验更完美的追求需要数据中心具有更好的体验,更低的时延。  

伴随IT算力持续演进,CPU和服务器功率持续提升,数据中心必将向高密化发展。比如以华为AI服务器RH2288为例,单柜功率密度从4kW/rack提高至10kW/rack,这要求供电系统需要跟随IT系统的功率密度提升速度。但是,传统大型数据中心供配电系统仍存在可靠性低、能耗高、占地大、运维难等问题。  

韩冬说,基于可用性及弹性扩容的模块化供电是UPS市场的发展趋势。除了模块化的发展趋势之外,匹配IT功率密度攀升,UPS功率密度持续演进,高功率密度也是UPS的发展趋势。“从十几年前的一柜100kW,到后来的数个模块100kW,今天华为更进一步,做到了单模块功率密度100kW/3U,这将引领数据中心供电到新的时代。”

2 华为100kWUPS功率模块的三大优势

功率模块密度的提升就意味着整机密度的提升,100kW/3U带来了1柜1兆瓦的高功率密度。未来IT负载将超过80%为AI负载,单位体积的负载密度持续增加,供电的高密能够有效匹配负载密度的增加,为数据中心减少供电的占地,提升出柜率。  

韩冬表示,要满足高密,必须满足三个要素,第一:体积小,第二,效率高,热耗小,第三,散热能力强。华为100kW UPS功率模块在体积、热耗、散热等方面进行了创新设计。在体积方面,华为创新专利助力更小体积,打造刀片级功率模块。比如“拓扑池化”专利,体积降低40%;磁集成专利,电感体积降低20%。  

传统拓扑中AC/DC和充放电器DC/DC是分开回路,采用高频率开关器件控制(0切换),所以DC/DC要做得很大,而华为拓扑池化的设计思路是DC/DC充电和整流拓扑复用。  

磁集成就是减少整流逆变中电感的体积,通过该技术,可以将整流逆变中的电感体积降低20%。“传统的电感是分立式的,类似于吃火锅时,我要同时吃清汤和红油的,这个时候给你提供一个鸳鸯锅,减少了体积,也同时满足了要求。当然,我们的磁集成没鸳鸯锅这么简单。”韩冬说。  

在热耗方面,华为100kWUPS功率模块采用三电平于交错并联拓扑架构、先进器件优化及数字控制技术降损耗。具体来说,传统两电平或者工频机的6脉冲或12脉冲,已被证实器件损耗高,体积大,当前主流厂家的高频UPS都采用三电平拓扑,成熟应用,可靠性高。  

三电平技术优势明显,三电平拓扑IGBT、二极管和电感两端电压只有两电平的一半;耐压低的IGBT和二极管具有更低的开关损耗和导通损耗;器件数量合适,综合损耗低。而采用拓扑的交错并联技术,可以进一步降低功率器件纹波和损耗,减少滤波电器件的体积和损耗。交错并联技术可以降低IGBT和二极管的纹波电流,从而降低器件损耗;减少滤波电感及电容的损耗、数量和体积,降低滤波器件损耗。  

韩冬说,半导体部件(IGBT、二极管、晶闸管)和电感的损耗占比最高,可优化部件损耗提高效率。华为采用第五代低损耗技术IGBT,导通/开关损耗降低20%;采用SIC(碳化硅)二极管实现零开关损耗;电感采用专利磁芯,铜损和磁损降低10%。此外,华为风扇转速无级调速,与负载率完美匹配,实现最优化降损,而先进数字及通信技术保障模块均流,达到良好的一致性。  

在散热方面,华为UPS通过优异的散热设计,保障了系统强大的散热能力,可在40℃长期不降额工作。华为UPS通过先进的计算流体动力学软件进行仿真,预测器件、单板和系统的风速及温度场,给出合理的布局、风道及风扇选型方案,指导PCB和结构设计,然后不断通过实验验证、优化,得到最优的散热方案。仿真平台避免了传统热设计中人工预估、验证、修改、再验证这样效率低下,只能得到一个可接受的结果而非最优效果的设计方式。  

其中多物理场仿真平台,精度较业界水平高30%。通过整流温升仿真、逆变温升仿真,基于三大场(电磁场(电磁兼容,信号完整性)、温度场(风量,风速,温升)、应力场(电气应力,机械应力))仿真的高计算能力仿真技术,力求在各种约束条件下,辅助系统和模块的最优布局。而高精Mockup仿真,指导精准散热设计,借助部件(芯片,半导体)内部建模,实现IGBT内部晶元的精确热流密度设计。  

为了增强散热效果,华为通过系统和部件极致设计及布局实现超强散热能力。在散热器上设置波纹,增强对流散热系数,散热能力可提升10%。而通过风扇与风道合理匹配,精细化风量控制等措施,风扇的散热能效比得到了大幅提升。华为通过“海洋式”温度采样与数据运算,多点无死角调控散热;器件全覆盖全工况测试,IGBT、电感、二极管和母线电容温度裕量大。


3 华为助力数据中心行业客户“开源节流”

华为100kW UPS功率模块,将有效帮助数据中心行业客户“开源节流”:通过高密化的设计,FusionPower2.0数据中心供配电解决方案1200kVA的系统只需12个功率模块,实现“一柜一兆瓦”,考虑UPS输入输出配电,端到端系统方案从8柜减少为4柜,节省占地超过50%。对于ISP行业,更多的业务空间意味着更高的收入,以部署10套1200kVA的华为Fusion Power2.0系统为例,可节约40柜位空间,每年帮助ISP客户增加400万元人民币的收入。  

FusionPower2.0相比于业界传统600k两并机方案功率密度可提升50%,考虑输入输出配电的工况,业界传统需要2个输入柜,4个UPS柜以及两个输出柜,而FusionPower1200kVA方案只需要一个输入柜,一个输出柜即可,8柜变4柜。  

FusionPower 1200kVA机型的宽度仅1600mm,相比于主流机型,占地减少50%,同时对维护空间要求更低。FusionPower系统效率高达97%,1%效率提升生命周期节省电费40多万。FusionPower通过对关键部件的冗余设计可实现无单点故障,冗余部件还支持热插拔,可以非常便捷的更换维护,相比于传统塔机必须下电维护,功率单元无冗余,以及整机运维等设计,模块化UPS具有更高的可靠性。此外,FusionPower iPower全链路监控,变被动为主动AI预测性维护。  

FusionPower最大易用性,来源于模块化。模块化第一个优势是易扩容,扩容平稳,无断电风险,只需提前预留好配电即可。模块化第二个优势是易维护。任何设备不可能不坏,所以我们可靠性设计的原则是最好不出问题,出了问题不要影响业务,影响了业务能够快速恢复。出了问题能够快速修复即使易用性的问题,也是可靠性的问题。  

对于模块化UPS模块故障,只需要取出故障模块更换即可,只要维护人员经过简单的培训就可以进行维护,不像传统塔式UPS必须由厂家专门的技术人员维护。华为的模块化UPS另一个优势是,除了功率单元可以热插拔外,还尽可能扩大模块化的范围,比如能源控制单元和旁路模块都支持热插拔,5min即可完成在线维护。  

2012年华为开始推模块化,随着锂电“风口”的来临,华为又推出了智能锂电解决方案。作为UPS的最佳伴侣,未来华为将从单纯的提供UPS部件向同时为客户提供UPS和智能锂电一体化解决方案。  

极致高密FusionPower2.0联合华为高能量密度SmartLi智能锂电,相对于传统供电方案,考虑前后维护空间,实际节省占地面积超过50%。同时,整体解决方案全模块化设计,支持插拔式维护,SmartLi独有的主动均流技术,支持新旧电池组混并,联合华为FusionPower模块化UPS可实现真正的在线功率和备电的分期扩容。比如第一期为600kW负载10min备电部署1.2MW框架和6个100kW功率模块,配套6个空锂电柜,其中3个配置锂电池模块,另外三个连接好线缆。第二期扩容至1200kW,10min备电,只需要增加6个100kW功率模块和剩余3个柜的锂电池模块即可。  

SmartLi采用业界安全环保的磷酸铁锂电芯,热失控不起火,智能均压控制技术,确保单电池模块故障系统可正常运行,保证系统可靠性。通过自带的三维立体防护BMS(Battery Management System)电池管理系统,保障锂电可靠性,配合华为FusionPower和智能网管可有效降低OPEX。  

华为将继续深耕智能化,采用更多的AI技术,在声音识别、图像识别等手段上创新,通过智能化手段提升运维效率和供电系统可靠性。除了部件的模块化,华为在今年还将推出更加融合、更加智能的电力模块解决方案,为客户提供一个端到端的一体化供配电解决方案。  

韩冬表示:“得益于强大的技术实力与电源行业的丰富经验,华为持续投入研发创新,突破更高功率密度,从未止步,满足云时代的大型数据中心对供电极简架构、极高可靠、极简运维的新需求,帮助客户快速完成数字化转型。”

(来源:《数据中心建设+》杂志)

关键字:华为UPS

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