Le rendement énergétique pour la rentabilité du stockage de données

3rd October 2018
Posted By : Victoria Chercasova
Le rendement énergétique pour la rentabilité du stockage de données

Il existe aujourd'hui plus de données dans le monde que jamais auparavant. Et vous pouvez être sûr d’une chose : les volumes de données à stocker ne vont faire qu'augmenter ! Compte tenu de l'importance de ces données pour quasiment tous les aspects de notre quotidien, des centres de données hautement sécurisés garantissent que ces données ne soient jamais perdues et qu'elles soient toujours disponibles au moment où nous en avons besoin.

Compte tenu du niveau d'attente lié à la disponibilité des données, les centres de données ont largement recours à la redondance. Pourtant, bien que cette approche soit nécessaire, elle fait grimper les coûts dans un monde où le stockage de données est en train de devenir une "commodité", et où les prix baissent.

Au cœur de ces niveaux de service élevés se trouve l'alimentation sans coupure (UPS pour Uninterruptible Power Supply en anglais) ou onduleur, qui non seulement filtre et conditionne l'alimentation, mais permet aussi d’assurer la continuité d’alimentation en cas de panne de courant.

Dans cet article, Toshiba Electronics Europe examine l'évolution de cette technologie, y compris certaines avancées susceptibles d’apporter un meilleur rendement énergétique sans pour autant sacrifier les performances des onduleurs.

Avec la croissance rapide des volumes de données, la "scalabilité" (capacité d’adaptation au changement d’ordre de grandeur de la demande) des centres de données modernes est une condition essentielle pour répondre aux besoins de stockage. Les pannes de courant sont de plus en plus fréquentes, ce qui signifie que les onduleurs sont devenus indispensables pour assurer une parfaite disponibilité des données. Il n'est donc pas surprenant que les cabinets d'études de marché prévoient que le marché mondial des onduleurs atteindra 13,7 milliards de dollars d'ici 2022, et que certains marchés, comme l'Asie-Pacifique, continueront de croître d'environ 7,2% par an.

Il existe trois grands types d'onduleurs en service aujourd'hui : hors-ligne, interactifs en ligne et double-conversion en ligne. 

Bien qu'il y ait des différences techniques et des différences de performances, tous ces systèmes ont en commun le besoin d’offrir un bon rendement et d’assurer la compensation du facteur de puissance (PFC pour Power Factor Correction en anglais) pour qu’il soit le plus proche possible de 1, et de conditionner la tension fournie, le tout bien sûr pour un coût toujours plus bas !

L'autre facteur qui est un défi pour les concepteurs est la contrainte d’encombrement minimum qui leur est imposée pour répondre aux exigences de la solution en cours d'élaboration. La place est limitée dans tous les centres de données, et les opérateurs cherchent par tous les moyens à l’occuper avec du stockage générateur de revenus, ce qui se traduit par une pression croissante en faveur de la miniaturisation des onduleurs. Ceci a contribué à la popularité des approches en rack utilisant des onduleurs modulaires. Etant donné que la puissance totale de chaque module est bien inférieure à celle de l'ensemble de l’onduleur, les concepteurs profitent de plus de souplesse et d'une plus grande capacité d'adaptation des solutions.

Réduire la taille de l'onduleur tout en maintenant sa puissance de sortie (voire en l'augmentant) a un impact significatif sur la densité de puissance. Ce défi est de plus en plus difficile à relever, dans la mesure où les petits modèles offrent moins de place pour la gestion thermique, notamment pour des radiateurs. Un refroidissement actif à l’aide de ventilateurs est souvent nécessaire, mais ces dispositifs ont eux-mêmes un impact sur le rendement global du système puisqu’eux aussi consomment de l'énergie.

Bien que le rendement soit probablement le premier objectif pour l’optimisation des coûts d'exploitation, la compensation du facteur de puissance a aussi un impact majeur sur les coûts. Un onduleur mal conçu peut également introduire des harmoniques de tension indésirables dans l'alimentation secteur, ce qui pourra pénaliser le fonctionnement d’équipements de traitement et de stockage vitaux.

Amélioration des performances de l'onduleur

On s'attend à une amélioration majeure des performances dès que les dispositifs à bande interdite large, de type GaN ou SiC, seront disponibles en volume, avec une meilleure fiabilité et un niveau de prix raisonnable. D'ici là, les concepteurs vont continuer de grappiller même les plus modestes gains de performance des MOSFET silicium existants.

Toshiba a breveté une technique qui suscite beaucoup d'intérêt, car elle permet aux MOSFET silicium à superjonction existants d'atteindre des niveaux de performance proches de ceux des futures solutions à bande interdite large.

Dans le cadre d'une topologie demi-pont, on peut montrer que les pertes de commutation deviennent très importantes quand on augmente la fréquence de découpage.

Deux mécanismes sont à l’origine de ces pertes ; le premier est la charge de récupération inverse (Qrr) stockée dans la diode roue-libre, qui provoque un pic de courant dans le transistor inférieur lorsqu'il rebascule à l'état passant. Le second est le pic de courant de charge lors de l'inversion de la capacité de sortie (COSS) du transistor de commutation supérieur.

Le SRB (Synchronous Reverse Blocking, ou blocage inverse synchrone) est une technique consistant à bloquer le courant inverse à l'aide d'un transistor à commande synchrone, et à canaliser le courant inverse résultant vers une diode SiC, ce qui réduisant considérablement l'impact de la charge Qrr.

Toshiba a breveté l’Advanced-SRB (A-SRB)[1] , une nouvelle technique qui annule les pertes provoquées par la charge de la capacité de sortie (COSS), en pré-chargeant cette capacité grâce à l’augmentation de VDS jusqu’à 40V environ à l’aide d’une pompe de charge intégrée au CI de pilotage. En pratique, cela réduit effectivement COSS d'un facteur 100, ce qui diminue considérablement les pertes.

Dans une réalisation A-SRB pratique, le transistor de commutation principal est un transistor MOSFET type DTMOS IV haute-tension à superjonction, avec une tension de blocage maximale proche de 650V. Le transistor de blocage connecté en série est un transistor MOSFET type UMOS VIII basse-tension à superjonction, avec une tension de blocage de 60V. La diode roue-libre est une diode Schottky SiC comme indiqué en Figure 3 ci-dessous.

Le CI driver T1HZ1F génère tous les signaux de commande nécessaires à partir d'un simple signal d'entrée PWM et renferme une solution brevetée contenant le principe de commande de la solution complète. Cette solution peut être utilisée dans de multiples applications où l’A-SRB présente un avantage, notamment les onduleurs, les inverteurs photovoltaïques, les convertisseurs continu-continu et les commandes moteurs. Dans la mesure où l’A-SRB traite les pertes de commutation, des fréquences de découpage plus élevées peuvent être utilisées, ce qui permet de réduire la taille et le poids de certains composants comme le filtre de sortie, sans pénaliser le rendement.

Les IGBT ne sont pas aussi compétitifs car leurs fréquences de commutation sont en général limitées à 20 kHz environ. La Figure 4 ci-dessous illustre à quel point les avantages d'une solution A-SRB par rapport aux topologies conventionnelles sont significatifs et en plus augmentent avec la fréquence.

Par exemple, à une fréquence de 50 kHz avec une charge de 1 kW, un inverteur à topologie A-SRB voit son rendement amélioré de 4% par rapport à une topologie standard ou à une solution IGBT. Cela permet d’abaisser considérablement les contraintes en matière de gestion thermique, et ainsi de réduire la taille, le poids, la complexité et le coût du système. En fait, dans un centre de données, les économies sont plus importantes au global, puisque la réduction de la chaleur générée fait diminuer les coûts de climatisation.

Ainsi, pour apprécier pleinement les avantages de l'A-SRB, il faut considérer à la fois l'augmentation du rendement et l'amélioration du conditionnement de la tension.

L'augmentation de la fréquence de découpage permet également de générer une onde sinusoïdale de très haute qualité, mais à 50 kHz les pertes de commutation augmentent fortement. C'est là que l'A-SRB fait vraiment la différence. A 50 kHz, il permet une amélioration significative du conditionnement de la tension, tout en améliorant le rendement. Dans les systèmes sans A-SRB, les concepteurs ont du mal à obtenir une amélioration de ces deux aspects en même temps.

Solutions A-SRB modulaires et discrètes

Il existe plusieurs solutions pour mettre en œuvre la fonctionnalité A-SRB, en fonction du niveau de puissance requis. Le module T1JM4 est une solution A-SRB complète pour des puissances jusqu'à 300W, qui intègre les drivers de grille, les transistors de commutation et les diodes Schottky SiC.

Si des niveaux de puissance plus élevés sont nécessaires, le driver de grille T1HZ1F de Toshiba peut être utilisé avec des DTMOS discrets, des LVMOS et des diodes SBD (Shottky Barrier Diode, ou diode à barrière Schottky) SiC, pour obtenir une solution "scalable" (évolutive selon la tension nécessaire). Toshiba propose les composants nécessaires sous forme de kits complets, pour faciliter la commande et la gestion des stocks.

Résumé

Protéger les systèmes qui stockent nos précieuses données et leur assurer une alimentation électrique constante et de qualité, avec des coûts d'acquisition et d'exploitation faibles, représente un défi majeur pour les ingénieurs d'études. Bien que les dispositifs à bande interdite large soient très prometteurs, ils constituent rarement une solution viable sur un plan commercial.

La technique brevetée A-SRB de Toshiba et ses pilotes et modules associés constituent une étape intermédiaire indispensable, qui permet aux concepteurs d'atteindre aujourd'hui des niveaux de performance similaires à ceux que promettent les technologies à bande interdite large.


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