Инвестиции в промышленность, меры по стандартизации OCP и обсуждения в рамках АТЭС указывают на то, что твердотельные трансформаторы – это реальность для центров обработки данных в среднесрочной перспективе.
На конференции стран АТЭС был поднят вопрос о технологии твердотельных трансформаторов (ТТТ), что указывает на стремление отрасли к гораздо более скоординированной работе в ближайшие годы. Недавно по меньшей мере 3 стартапа ТТТ собрали в общей сложности 280 млн. долларов: DG Matrix, Amperesand и Heron Power. Помимо этого, многие поставщики систем силовой электроники уже инвестируют в программы твердотельных трансформаторов, в том числе ABB, Hitachi, Siemens, Vernova, Eaton, General Electric, Schneider Electric, Mitsubishi и Delta Electronics. Многие из компаний, включенных в этот список, активно сотрудничают с Nvidia в качестве поставщиков компонентов для систем электропитания.
Это связано с тем, что ТТТ рассматриваются как ключевая технология, обеспечивающая работу центров обработки данных следующего поколения с напряжением 800 В постоянного тока. На самом деле, проект Open Compute Project (OCP) выпустил свой первый технический документ по распределению электроэнергии постоянного тока низкого напряжения (LVDC), который был представлен на совместном мероприятии OCP и Current O/S во время саммита OCP EMEA Summit. В документе содержится четкое определение твердотельных трансформаторов:
«Твердотельный трансформатор (ТТТ) определяется как электронный преобразователь мощностью в мегаватт, предназначенный для замены обычных трансформаторов линейной частоты 50/60 Гц и выпрямительных блоков (изолированных или неизолированных). Отличительными особенностями ТТТ являются магнитные компоненты/трансформаторы средней и высокой частоты (MFT/HFT), созданные на основе полупроводников с широкой запрещенной зоной, таких как карбид кремния (SiC) или все больше присутствующий на рынке нитрид галлия (GaN)».
Распределение электроэнергии в центре обработки данных: от сегодняшнего дня к завтрашнему
Сегодня центры обработки данных используют преобразователи линейной частоты (LFT) в качестве распределительного устройства среднего напряжения (MV) для понижения общего напряжения (13,2 кВ или 34,5 кВ) до низкого напряжения (LV) или 480 В переменного тока. Напряжение 480 В переменного тока подается на низковольтное распределительное устройство (НН), а затем на источник бесперебойного питания (ИБП) для обеспечения бесперебойной работы при сбоях в электросети. ИБП подает питание на блок распределения питания (PDU), который затем распределяет напряжение 480 В переменного тока по отдельным стойкам. Затем стойки преобразуют поступающий переменный ток в шину постоянного тока стойки, напряжение которой исторически составляло 12 В, но в настоящее время приближается к 48 В и более.
Кроме того, модульные стойки для хранения оборудования используются для преобразования напряжения 480 В переменного тока непосредственно в 800 В постоянного тока. В чем актуальность? По сути, это связано с тем, что для подачи мощности 1 МВт в стойку при напряжении 48 В требуется ~20 800 А; при таких токах использование меди, например, для изготовления шин и кабелей, становится физически непрактичным. При 800 В постоянного тока для обеспечения той же мощности в 1 МВт требуется 1250 А.
Кроме того, модульная стойка для хранения оборудования расположена как можно ближе к серверной стойке. Как указано в вышеупомянутом техническом документе OCP, например, стойка Mt. Diablo обеспечивает подачу шины 800 В постоянного тока по очень короткому межсоединению длиной 1 метр. Однако это остается «архитектурой на ближайшую перспективу».
В «среднесрочной перспективе» ТТТ заменят модульные стойки, что позволит увеличить напряжение электросети до 800 В постоянного тока. Infineon ожидает, что ТТТ заменят часть рынка традиционных трансформаторов, который в настоящее время оценивается в 15 млрд. долларов, в частности, трансформаторы малой мощности, с ожидаемой рыночной стоимостью в 1 млрд. долларов к 2030 году.
Допустимый вариант на первом этапе
Важно отметить, что OCP рассматривает твердотельные трансформаторы как допустимый вариант на первом этапе, а не обязательно как перспективный, позиционируя их в качестве жизнеспособного решения для распространения в центрах обработки данных LVDC без их обязательного использования. Будущие этапы были сосредоточены на «полном распределении постоянного тока между MV и всем оборудованием в центре обработки данных». В то время как ТТТ могут стать частью будущего центра обработки данных LVDC, «также возможно использовать трансформатор MV/LV в сочетании с преобразователем переменного/постоянного тока».
Проблемы надежности, безопасности, эффективности и плотности энергопотребления
Во время конференции стран АТЭС многие поставщики уделили время подробному обсуждению технологии твердотельных трансформаторов, особенно в контексте центров обработки данных. Брайан Хейберг, директор по инжинирингу Vertiv, обсуждая ТТТ на своем пленарном заседании в этом году, заявил:
«Суть в том, что мы должны найти решение, которое сможет снизить напряжение от 34,5 кВ до 800 В постоянного тока в диапазоне 3-5 МВт».
Он также затронул некоторые довольно важные вопросы, касающиеся центров обработки данных, заявив, что ТТТ должны будут продемонстрировать доказанную надежность, эффективность и удельную мощность, чтобы быть действительно эффективными в мире центров обработки данных. Кроме того, необходимы согласованные усилия, чтобы найти оптимальный способ распределения мощности постоянного тока низкого напряжения и обеспечить некоторую защиту – «стандарты должны догонять и развиваться со скоростью промышленности, а они, к сожалению, отстают».
В техническом документе OCP LVDC также рассматриваются проблемы, связанные с достижением целевого показателя в 99,9% для центров обработки данных для обучения искусственного интеллекта и 99,999% для центров обработки данных для устранения помех искусственного интеллекта. Заявляя, что силовая электроника, например, блоки питания, ИБП и т.д., являются компонентами с самой высокой частотой отказов в центрах обработки данных – проблема, которая до сих пор решалась с помощью таких стратегий, как N+1 блок питания.
«Однако распределение постоянного тока не позволяет использовать стратегию обхода обслуживания ИБП, поэтому необходимо обеспечить резервирование на уровне блока питания».
Устранение данного пробела при одновременном повышении плотности энергопотребления, необходимого для развертывания центров обработки данных, является определяющей инженерной задачей для следующего поколения систем ТТТ. Йоханн Колар из ETH Zurich оценивает мощность в 1 МВт/м3 при потерях на 30% ниже, чем у современных ТТТ.
Другим существенным ограничением могут быть пределы плотности мощности и КПД. Согласно анализу, представленному проф. Колар на семинаре по профессиональному образованию стран АТЭС 2026 сообщил, что двухступенчатые ТТТ первого поколения достигли плотности мощности около 0,1 МВт/м3 при КПД 98-98,5%, что в целом сопоставимо с традиционными сухими интерфейсами MVAC-LVDC на базе LFT, но еще не соответствует эффективности LFT кривые выше 99% при номинальной мощности.
Изоляция также имеет решающее значение для безопасности. При подключении высоковольтного кабеля к низкому напряжению обе стороны должны быть электрически изолированы для защиты людей и оборудования. В обычной цепи LFT обеспечивает внутреннюю изоляцию; в случае ТТТ ее обеспечивает высокочастотный трансформатор внутри изолированного каскада постоянного тока. Анирбан Рой, специалист по глобальным продажам TDK, также подчеркнул важность изоляции: «Я слышал, что самая большая проблема, с которой сталкиваются производители ТТТ, связана с высокочастотными трансформаторами среднего напряжения, где им требуется в т3 раза большая изоляция. Таким образом, для типичного напряжения 35 кВ требуется изоляция напряжением 100 кВ, а это очень много».
Предпринимаемые шаги
Тем не менее, борьба с этими препятствиями ведется довольно быстрыми темпами. Согласно техническому документу OCP LVDC, твердотельные трансформаторы, как системы распределения электроэнергии постоянного тока, могут демонстрировать благоприятные динамические характеристики благодаря своей относительно низкой индуктивности. Они могут контролировать и ограничивать ток замыкания от источника переменного тока к распределителю постоянного тока до величины, кратной номинальному току (например, в 1,5 раза), и ограничивать длительность до сотен миллисекунд.
Это означает, что ТТТ могут фактически упростить архитектуру защиты, сделав ток замыкания управляемым. Это также обсуждалось в интервью с основателями DG Matrix, которые рассказали, что их твердотельные трансформаторы позволяют осуществлять управление со скоростью порядка десятков наносекунд для устранения аномалий при тесной координации между несколькими источниками и нагрузками одновременно. Система ТТТ от DG Matrix стала первой, получившей квалификацию в экосистеме Nvidia MGX – отраслевом решении, которое, по мнению многих экспертов, значительно ускорило разработку и внедрение технологий для центров обработки данных.
Во время своего пленарного заседания Хайберг из Vertiv заявил, что наиболее популярными топологиями для ТТТ являются:
- Выпрямление переменного/постоянного тока на уровне МВ (шина 13,2/34,5 кВ – МВ постоянного тока) с использованием модульного многоуровневого преобразователя (MMC) и каскадного Н-моста;
- Высокочастотное преобразование постоянного тока (шина постоянного тока MV в 800 В постоянного тока) с изоляцией с помощью двойного активного моста (DAB).
На стенде Navitas была представлена первая ступень ТТТ, построенная совместно с EPFL, с использованием их полевых транзисторов GeneSiC напряжением 1,2 кВ и 3,3 кВ, за исключением изолированного преобразователя постоянного тока. «Вы объединяете несколько модулей в один блок, чтобы выдерживать напряжение 10 кВ», - сказал представитель EPFL. Каждый модуль потребляет часть общего напряжения, а их выходы объединяются параллельно для обеспечения требуемого тока при напряжении 800 В постоянного тока (или выше).
Растущий рынок высоковольтных полупроводниковых приборов
Похоже, что такая модульность является ключевой не только для обеспечения более высокой мощности, но и для обеспечения безопасности. Согласно техническому документу OCP касательно LVDC, для достижения этих уровней надежности потребуются новые технологии и архитектуры. Например, основные строительные блоки, такие как ТТТ, ИБП и BBU, переходят на решения, состоящие из «модульных подблоков более низкого уровня» с возможностью замены в «горячем» режиме.
Необходимое количество ячеек напрямую зависит от номинального напряжения SiC-устройств, используемых в каждом модуле. Примечательно, что д-р Субхашиш Бхаттачарья, соучредитель и технический директор DG Matrix, отметил важность первого в истории коммерчески доступного полупроводникового МОП-транзистора напряжением 10 кВ, разработанного компанией Wolfspeed, назвав эту разработку «технологией, позволяющей будущим поколениям ТТТ работать на этом критически важном сетевом интерфейсе».
Однако, когда его спросили, планирует ли DG Matrix интегрировать эту технологию, он ответил сдержанно: «Текущая разработка DG Matrix не предусматривает интеграцию устройств напряжением 10 кВ. Однако DG Matrix обладает достаточным ноу-хау, чтобы сделать это в будущем, когда того потребуют нужды рынка. Высоковольтные SiC-устройства также, как правило, подпадают под экспортный контроль, что может несколько усложнить международные поставки».
В недавнем пресс-релизе отмечается, что DG Matrix выбрала Infineon в качестве ключевого поставщика SiC для своей платформы ТТТ. В настоящее время Infineon предлагает классы напряжения SiC до 2 кВ, однако Майкл Уильямс, директор по маркетингу промышленности и инфраструктуры Infineon, заявил, что технологии 2,3 и 3,3 кВ «появятся этим летом и позже в этом году». Однако первые версии будут без этого стандарта. Технология .XT – это диффузионное пайковое соединение, которое в настоящее время доступно для использования с БТИЗ 5-го поколения на 1,7 кВ и CoolSiC 2-го поколения на 1,2 кВ. По словам Уильямса, технология .XT позволяет «в 22 раза увеличить время автономной работы при экономии затрат на 5%». Эта технология может стать привлекательным вариантом для операторов центров обработки данных, которым требуются ТТТ, срок службы которых превышает 20 лет.
Как бы то ни было, во всей отрасли существует спрос на высоковольтные SiC-устройства, поэтому рынок будет развиваться, предоставляя разработчикам систем ТТТ возможность использовать меньшее количество модулей при той же пропускной способности, проявляя при этом инженерный консерватизм, необходимый для обеспечения доступности, надежности и стоимости на системном уровне.
Любопытно, что, по-видимому, показатель в 250 кВт – это тот уровень мощности, к которому отрасль ориентируется в качестве базового размера для одного модуля ТТТ, что, скорее всего, связано с устройствами SiC, терморегулированием и ограничениями по стоимости. Пьетро Скалиа, старший директор по архитектуре и маркетингу энергетических систем Renesas, провел интересную параллель с ранним развитием рынка тяговых инверторов для электромобилей, заявив: «Когда мы занимались электрификацией автомобильной промышленности, 300 кВт – это было магическое число, все начинали с него и наращивали мощность. Теперь все начинают с 250 кВт для систем ТТТ». Это может быть сделано для того, чтобы закрепить цепочку поставок эталонными архитектурами для скорейшего внедрения технологий.
Улучшение сроков доставки, снижение затрат
Существует еще один фактор, который следует учитывать: сроки доставки. Из-за ограничений в цепочке поставок и высокого спроса сроки выполнения заказов по поставке LFT могут составлять 1 год и более. Эта проблема полностью устраняется с помощью ТТТ, которые не требуют такого же уровня затрат на сырье, как LFT.
Однако они остаются более дорогостоящими, чем их аналоги LFT. Рой из TDK подчеркнул: «На данный момент цена ТТТ в два раза выше, чем у обычного трансформатора». Рой уверен, что она будет снижена, учитывая более широкую динамику рынка экосистем ТТТ. «Много игроков приходят с разных сторон, это не только стартапы, но и производители фотоэлектрических систем, ИБП и трансформаторов. Все они приходят в технологию ТТТ», - сказал Рой. TDK Ventures также инвестирует в Amperesand, стартап твердотельных трансформаторов, который рассказал о презентации Роя для участников выставки стран АТЭС, посвященной ТТТ.
Рой считает, что центры обработки данных станут первыми крупными пользователями ТТТ, за которыми последуют зарядка электромобилей и микросеть. Скалия из Renesas также заявил:
«Твердотельные трансформаторы станут лейтмотивом АТЭС в следующем году – я могу сказать вам об этом уже сейчас».
Безусловно, шумиха на Саммите АТЭС в этом году, скорее всего, будет набирать обороты, как и в предыдущие годы, когда разговоры о центрах обработки данных, сместились с полупроводников с широкой запрещенной зоной и автомобилестроения.
