データセンターの電力変換と配電

概要概要
固体変圧器固体変圧器
BESS & UPSBESS & UPS
800Vdc分配800Vdc分配
PSUPSU
コンピューティングラックコンピューティングラック
サーバーサーバー
資料資料

データセンターの電力変換インフラは急速に進化している

人工知能(AI)データセンターの構築は、電力需要への対応、効率性の向上、導入の加速、トレーニング時や需要急増時のピーク電力要件の削減など、急速なイノベーションを推進しています。データセンターの電力変換技術には、以下のようなものがあります。

  • 10~34.5kVの中電圧固体変圧器(SST)
  • バックアップおよびピーク負荷抑制のためのバッテリーエネルギー貯蔵システム(BESS)
  • 高電力向け800Vdc配電
  • 高効率100kWパワーシェルフにより、1MWラックの設置が可能

Teledyne LeCroyは、エンジニアがデータセンターの電力変換インフラストラクチャを進歩させ、最適化するのを支援します。

Teledyne LeCroyは、データセンターの電力配電における最新のイノベーションを理解しており、現在および次世代のデータセンター電力変換インフラストラクチャを提供するためのニーズを満たす上で、最適なサポートを提供できます。

データセンターにおける電力供給経路(電力会社からの供給からコンピュータラック(サーバー)の使用に至るまで)を示す線図。
データセンターの電力変換システムで使用される組み込みシステムをテストするエンジニアたち。
データセンターの電力変換製品の試験に使用される試験・計測機器。

データセンターの増設ペースが、費用対効果の高い入力電力の調達・供給能力を上回っています。ハイパースケーラーの台頭と供給・コストの制約により、新しいデータセンター電力変換システムの急速な導入が進んでいます。データセンターの設計上の考慮事項には、以下が含まれます。

  • AIトレーニングの需要に対応し、ピーク需要料金を回避するために、オンサイト発電設備および/またはバックアップ電源を瞬時に稼働できる形で組み込む。
  • データセンターの配電効率を改善し、コストと電力負荷を最小限に抑える。
  • コストを最小限に抑えるため、または電力供給密度を高めるために、配電電圧を上げる。
  • リードタイムの​​長い部品を、より少なく、より統合された電力変換システムに置き換える

データセンターの電力変換に対する需要の高まりを受け、エコシステム全体からエンジニアが集結し、データセンターの電力配分を再考・再構築する取り組みが進められています。これには、ハイパースケールデータセンターのエンジニア、電力変換機器サプライヤー、パワー半導体メーカーのエンジニアなどが含まれます。

  • ハイパースケールデータセンターのエンジニアとテクニカルアーキテクトは、効率を最大化し、運用エネルギーコストを最小限に抑える必要がある。
  • デバイスエンジニアは、ワイドバンドギャップデバイスのデバイス特性測定を行う必要がある。
  • インバータサブセクションのエンジニアは、固体変圧器(SST)、DC-DCコンバータ、電源、またはバッテリーエネルギー貯蔵システム(BESS)用のモジュール式マルチレベルコンバータを設計する必要があります。
  • システムエンジニアは、3相または1相の完全なシステムの動的電力性能または効率を測定する必要があります。

Teledyne LeCroyは、MOSFET/IGBTデバイスのテストからインバータサブセクションのテスト、完全な電力変換システムの解析まで、kVからµV、MWからmWまで、あらゆる種類の電力変換テストに対応するオシロスコープ、プローブ、およびアプリケーションソフトウェアを提供しています。

固体変圧器(SST)

SST(スマートストレージ技術)は、研究室での構想段階から実用化へと急速に進展しました。データセンターの導入を迅速化し、バッテリーエネルギー貯蔵システム(BESS)とネイティブに連携し、データセンターの電力損失を削減します。

  • 開発段階において、最終検証前に、グリッド入力からDC出力までの総合変換効率を測定する。
  • 半導体デバイスのスイッチングサイクル内または 50/60 Hz電力サイクル
  • モジュール式マルチレベルインバータサブセクション間の相互関係をテストする
  • 静的なスナップショットだけでなく、広範囲にわたる動的な運用サイクル下での効率と運用状況を測定する。

蓄電池エネルギー貯蔵システム(BESS)と無停電電源装置(UPS)

電力会社や公益事業委員会(PSC)は、ハイパースケールデータセンター向けの新たな高出力送電網接続に反対しており、その結果、相互接続の遅延や高額なピーク負荷料金が発生している。蓄電池エネルギー貯蔵システム(BESS)は、これらの問題を緩和する。

  • SSTおよびデータセンターの需要と連携して、BESSの相互作用と応答時間を測定/検証する
  • 単一の半導体デバイスのスイッチングサイクル内、または 50/60 Hz電力サイクル
  • 急激な負荷変動や停電事象と他のシステム挙動との相関関係を調べる
  • 直流出力の高調波解析を行う。

800 VDC 配電バス

データセンターは、コスト削減、効率向上、そして電気自動車のアーキテクチャで一般的になりつつある電圧への標準化を図るため、より高電圧のDCバスを採用して設計されている。

  • 最大1000Aまでの直流から交流への過渡電流を測定します。RMS 最大1.5MHzの帯域幅で 高精度電流プローブ
  • 高電圧直流を測定する さらに、高速過渡現象を1%の精度で検出し、高い放射エミッション除去性能(最高のCMRR性能)を実現。
  • 直流バス上の高調波汚染を、他の機器、電源、または負荷と関連付ける。

電源ユニット(PSU)

ハイパースケールデータセンターでは、電源ユニット(PSU)に80 PLUS Titaniumの効率レベルが求められており、これはOpen Compute Project(OCP)を通じて広く採用されている。

  • 設計サイクルの早い段階で効率、力率(PF)(AC-DC設計の場合)、および全高調波歪み(THD)を測定し、最終検証前に性能を最適化する。
  • 動的負荷条件下でリアルタイムの設計フィードバックを取得する
  • 電力半導体デバイスのスイッチングサイクルという短い時間間隔で、制御アクティビティと電力イベントを関連付ける

コンピューティングラック用48V→12V DC-DCコンバータ電源供給

AIデータセンターにおける電力レベルの上昇に伴い損失が増大するため、48V電源アーキテクチャはより厳しい効率要求に直面しており、最高の効率を実現するために48V変換チェーンのあらゆる段階を最適化する必要性が高まっている。

  • 48V GaN DC-DC変換システムを最も正確に特性評価する
  • 最大1000Aまでの直流から交流への過渡電流を測定します。RMS 最大1.5MHzの帯域幅で 1000A電流プローブ
  • 業界唯一の 60Vコモンモードプローブ これらの測定タイプに最適化されており、ゲイン精度は0.5%です。

サーバーマザーボードにおけるPDNと電源の完全性

LeCroyの高解像度オシロスコープ(HDO®)、プローブ、およびソフトウェアオプションは、さまざまな負荷状態または負荷解放状態における電源レール上のあらゆるデータを捕捉および分析するための最高の機能を提供します。

  • パワーインテグリティ分析
  • 単一または複数のレールでの PDN ノイズとスペクトル解析
  • デジタル電源管理 IC (PMIC) の特性評価
  • 低ドロップアウト (LDO) およびスイッチングレギュレータの測定
  • パワーレールプローブとノイズ測定


資料

名称

ダブルパルステスト(DPT)に推奨されるTeledyne LeCroy社製機器リスト

データシート

5分でわかる、最適な高電圧オシロスコーププローブの選び方

高電圧オシロスコーププローブの選定でお困りですか?数多くの選択肢に迷っていませんか?Teledyne LeCroyは、情報に基づいた意思決定を支援するオンラインツール「高電圧プローブ選定ガイド」を提供しています。ここでは、検討すべき基本的なポイントを詳しく解説します。

アプリケーションノート
高電圧差動(HVD)プローブ – 優れた性能
GaN MOSFETおよびSiC IGBT用DL-ISOプローブ
オシロスコープを用いた周波数応答解析(ボード線図)
1000Aオシロスコープ電流プローブ
Teledyne LeCroy – 電流プローブ
DPT-AUTOMATIONソフトウェアを使用した自動ダブルパルステスト

Teledyne LeCroyが、データセンターの配電インフラについて解説し、データセンターの効率的かつ信頼性の高い運用を確保する上で、電力変換製品が果たす重要な役割をご紹介します。特に、サーバーに直流電力を供給するPDU/PSUの製品テストに重点を置きます。

このウェビナーでは、48V電力変換システムの検証とデバッグのための新製品、ベストプラクティス、および測定技術について説明します。

GaNおよびSiCデバイスにおけるダブルパルステスト(DPT)の実施方法

Teledyne LeCroy社主催の、窒化ガリウム(GaN)および炭化ケイ素(SiC)パワー半導体デバイスに対するダブルパルス試験の実演をご覧ください。測定前に考慮すべき様々な安全対策や、取得した波形から読み取れる情報について、詳しく解説します。

すべての登録

モーター駆動解析を次のレベルへ!Teledyne LeCroyが提供するオンデマンド学習ラボシリーズで、8チャンネル高解像度オシロスコープまたはモーター駆動アナライザを使用して、高出力3相モーターインバータおよび駆動システムを測定する方法を学びましょう。静的および動的な交流線路測定からモーターの機械的性能など、あらゆる側面を網羅的に解説します。

パワーエレクトロニクスの設計には、測定に関する固有の課題が伴います。適切なプローブの選択と使用は、作業者、機器、および被測定デバイスの安全性を確保する上で非常に重要であり、測定精度にも大きな影響を与えます。

配電ネットワーク(PDN)は、特に高速設計においては、優れた電力整合性を確保するために慎重な設計が必要です。Teledyne LeCroyが提供する全8回のシリーズでは、電力整合性テストの基礎から高度なトピックまで、多数の実演を交えながら解説します。ぜひご参加ください。

データセンターの電源ラックが100kWから1MWに増加しているのはなぜですか?

AIアクセラレータやGPUは、従来のプロセッサよりもはるかに多くの電力を必要とするため、ラックレベルでの電力需要が高まっています。これに対応するため、ラックアーキテクチャもそれに合わせて拡張されています。1MWのラックは通常、複数の約100kWの電源シェルフで構成され、各シェルフには約6台の電源ユニット(PSU)が搭載されています。個々のPSUの電力レベルは、従来の3.3kW~5kWの範囲から、約20kWにまで増加しています。

データセンターの直流電源電圧が48Vdcから800Vdcに上昇しているのはなぜですか?

AIデータセンターは、従来のデータセンターに比べてはるかに高い電力レベルを必要とします。従来の48Vdc配電では、高電力レベルで非常に高い電流が発生し、バスバー配電コストと損失が増加します。この問題を解決するため、業界は電気自動車で実績のある設計手法を活用し、800Vdcアーキテクチャへの移行を進めています。電力密度が上昇し続けるにつれて、データセンターのDC配電は1500Vdc(高出力の公益事業規模の太陽光発電インバータで一般的に使用される入力電圧)へと進化していくと予想されます。

AIデータセンターにおいて、固体変圧器はどのような役割を果たすのでしょうか?

固体変圧器(SST)は、電力会社から供給される中電圧交流(10~34.5 kVac)を800 Vdcに変換し、施設内で効率的に配電するための系統連系型コンバータです。モジュール式のマルチレベルアーキテクチャにより、精密な電力制御、高効率、拡張性の向上を実現し、将来の高出力AIデータセンターに最適です。また、従来のコア/コイル型変圧器のリードタイムの​​問題も解決します。 50/60 Hzトランス。

AIデータセンターにおいて、バッテリーエネルギー貯蔵システム(BESS)の重要性が高まっているのはなぜでしょうか?

電力需要がギガワット級に拡大するにつれ、BESS(蓄電池エネルギー貯蔵システム)は、バックアップ電源、ピーク負荷の抑制、および系統サポートサービスを提供することで、従来のUPS(無停電電源装置)を補完することができます。また、蓄電池システムは、電力供給の安定性や電力会社の制約を管理する上でも役立ちます。

データセンターの電力変換システムに、なぜワイドバンドギャップ半導体(SiCやGaN)が採用されているのでしょうか?

炭化ケイ素(SiC)および窒化ガリウム(GaN)デバイスは、従来のシリコンデバイスと比較して、より高いスイッチング周波数、優れた効率、および高い電力密度を実現します。これらの利点は、電力変換損失の低減と効率の向上に貢献するとともに、業界における高電圧電源アーキテクチャへの移行を支えています。

データセンターは最終的に、完全に直流電源方式のアーキテクチャに移行するのだろうか?

複数のAC/DC変換段をなくすことで、効率が向上し、配電が簡素化されます。業界で800Vdc配電とソリッドステートトランスが採用されるにつれ、次世代AI施設向けに完全DC電源アーキテクチャがますます検討されるようになっています。

AIデータセンターでは、なぜ電源装置に高速な過渡応答速度が求められるのでしょうか?

最新のAI対応GPUは、電力需要に急速かつ大幅な変化をもたらす可能性があります。電圧の安定性を維持し、効率を向上させ、次世代プロセッサの動的な動作をサポートするためには、高度な電源設計が必要です。

AIデータセンターにおいて、電力品質がますます重要視されるようになっているのはなぜでしょうか?

AI用GPUは、電圧変動、過渡現象、および電源障害に非常に敏感です。高度な電源品質監視は、信頼性の高い動作を確保し、稼働時間を最大化し、AIトレーニングおよび推論ワークロードのコストのかかる中断を防ぐのに役立ちます。

AIデータセンターが再生可能エネルギーとマイクログリッドを統合する理由は?

AIワークロードは、かつてないほどの電力需要を生み出し、しばしば地域の送電網容量を超過しています。再生可能エネルギー発電、オンサイトエネルギー貯蔵、マイクログリッドは、エネルギー供給の安定性向上、送電網への依存度低減、そして持続可能性目標の達成に貢献します。

AIデータセンターは1500Vdcの電力供給を検討しているのか?

ラックあたりの電力需要が1MWを超えて増加し続ける中、より高い配電電圧は電流を低減し、導体損失を最小限に抑え、電力供給効率全体を向上させることができます。多くの専門家は、1500Vdcを現在の800Vdcアーキテクチャの次のステップとして期待しています。偶然にも、1500Vdcは大規模太陽光発電インバータの入力電圧としても使用されています。

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