लिक्विड-कूल्ड एआई डेटा सेंटर: उच्च तापीय भार के तहत पावर कंपोनेंट का चयन

लिक्विड कूलिंग सिस्टम उच्च घनत्व वाले एआई डेटा केंद्रों में ऊष्मा प्रबंधन के तरीके को बदल रहा है। जैसे-जैसे जीपीयू क्लस्टर और सर्वर रैक अधिक बिजली की मांग करते हैं, बिजली वितरण और रूपांतरण आर्किटेक्चर के साथ-साथ कूलिंग सिस्टम भी विकसित हो रहे हैं।

हालांकि, लिक्विड कूलिंग को अपनाने का यह मतलब नहीं है कि हर इलेक्ट्रिकल कंपोनेंट कम तापमान पर काम करेगा। वास्तविक थर्मल स्थितियां इस बात पर निर्भर करती हैं कि कंपोनेंट कहां स्थापित है, ऊष्मा का स्थानांतरण कैसे होता है, और क्या कंपोनेंट सीधे लिक्विड कूलिंग सिस्टम से जुड़ा है या एयर-कूल्ड एनक्लोजर के अंदर रहता है।

पावर इलेक्ट्रॉनिक्स डिजाइनरों के लिए महत्वपूर्ण प्रश्न केवल यह नहीं है कि डेटा सेंटर में लिक्विड कूलिंग का उपयोग होता है या नहीं। महत्वपूर्ण यह है कि कूलिंग आर्किटेक्चर पावर डिलीवरी सिस्टम के भीतर घटकों की परिचालन स्थितियों को कैसे बदलता है।

विभिन्न लिक्विड-कूलिंग आर्किटेक्चर अलग-अलग थर्मल स्थितियां उत्पन्न करते हैं।

एआई डेटा सेंटर के विभिन्न स्तरों पर लिक्विड कूलिंग लागू की जा सकती है। प्रत्येक विधि आसपास के विद्युत उपकरणों को अलग-अलग तरह से प्रभावित करती है।

डायरेक्ट-टू-चिप कूलिंग प्रणाली में, जीपीयू और सीपीयू जैसे ऊष्मा उत्पन्न करने वाले घटकों से जुड़ी ठंडी प्लेटों के माध्यम से शीतलक का संचार किया जाता है। यह ऊष्मा को स्रोत के निकट से ही हटा देती है, लेकिन बिजली आपूर्ति और अन्य विद्युत घटकों को अभी भी अलग से वायु प्रवाह या शीतलन व्यवस्था की आवश्यकता हो सकती है।

सर्वर रैक से बाहर निकलने वाली हवा से ऊष्मा को हटाने के लिए रियर-डोर हीट एक्सचेंजर लगे होते हैं। ये डेटा सेंटर स्पेस में उत्सर्जित होने वाली ऊष्मा की मात्रा को कम कर सकते हैं, जबकि अलग-अलग पावर मॉड्यूल की आंतरिक शीतलन स्थिति उनके अपने डिज़ाइन पर निर्भर करती है।

इमर्शन कूलिंग में संगत आईटी उपकरणों को एक डाइइलेक्ट्रिक द्रव में रखा जाता है। यह विधि एक अलग तापीय और भौतिक वातावरण बनाती है, जिससे शीतलक के सीधे संपर्क में आने वाले उपकरणों के लिए द्रव की अनुकूलता एक महत्वपूर्ण विचारणीय विषय बन जाती है।

इन आर्किटेक्चर को एक दूसरे के स्थान पर उपयोग किए जाने योग्य नहीं माना जाना चाहिए। एयर-कूल्ड पावर शेल्फ के अंदर स्थित एक पावर कंपोनेंट, डेडिकेटेड लिक्विड-कूल्ड पावर यूनिट में एकीकृत कंपोनेंट से बहुत अलग परिस्थितियों का सामना कर सकता है।

इसलिए, कंपोनेंट के चयन में पहला कदम कूलिंग बाउंड्री को समझना है: कौन सा उपकरण लिक्विड-कूल्ड है, कौन सा एयर-कूल्ड रहता है, और दोनों के बीच गर्मी कैसे स्थानांतरित होती है।

पावर सेमीकंडक्टर्स: जंक्शन तापमान और ऑपरेटिंग मार्जिन

एआई डेटा सेंटर पावर सिस्टम के रूपांतरण चरणों में पावर सेमीकंडक्टर आवश्यक हैं। वोल्टेज स्तर, स्विचिंग आवृत्ति, दक्षता लक्ष्य और कनवर्टर टोपोलॉजी के आधार पर MOSFET, IGBT, SiC और GaN उपकरणों का उपयोग किया जा सकता है।

उनका तापीय प्रदर्शन विद्युत परिचालन स्थितियों से निकटता से संबंधित है।

संचालन के दौरान चालन हानि और स्विचिंग हानि से ऊष्मा उत्पन्न होती है। परिणामस्वरूप जंक्शन का तापमान खपत हुई शक्ति, उपकरण और पैकेज के तापीय प्रतिरोध, शीतलन इंटरफ़ेस और आसपास के तापीय वातावरण पर निर्भर करता है।

सेमीकंडक्टर उपकरणों का मूल्यांकन करते समय, इंजीनियरों को निम्नलिखित बातों पर विचार करना चाहिए:

• अधिकतम जंक्शन तापमान और अनुशंसित परिचालन सीमा

• इच्छित परिचालन बिंदु पर चालन और स्विचिंग हानियाँ

• जंक्शन से केस तक और केस से परिवेश या शीतलक इंटरफ़ेस तक ऊष्मीय प्रतिरोध

• स्विचिंग आवृत्ति और लोड प्रोफ़ाइल

• तीव्र भार परिवर्तन के दौरान क्षणिक तापीय व्यवहार

• आवश्यक विद्युत पृथक्करण और माउंटिंग शर्तें

तरल-शीतित प्रणाली किसी विशिष्ट इंटरफ़ेस पर ऊष्मा निष्कासन को बेहतर बना सकती है, लेकिन यह लाभ वास्तविक तापीय पथ पर निर्भर करता है। यदि अर्धचालक तरल-शीतन लूप से जुड़ा नहीं है, तब भी इसका परिचालन तापमान वायु प्रवाह, हीटसिंक डिज़ाइन और आवरण की स्थितियों द्वारा नियंत्रित हो सकता है।

इसलिए चयनित उपकरण का मूल्यांकन रैक में कहीं और उपयोग की जाने वाली शीतलन विधि के बजाय संपूर्ण थर्मल पथ का उपयोग करके किया जाना चाहिए।

प्रेरक और चुंबकीय घटक: हानियाँ अभी भी मायने रखती हैं

विद्युत आपूर्ति और डीसी-डीसी कनवर्टर चरणों सहित विद्युत रूपांतरण और वोल्टेज विनियमन परिपथों में चुंबकीय घटक महत्वपूर्ण बने रहते हैं।

इंडक्टर हानियों में सामान्यतः वाइंडिंग हानियाँ और कोर हानियाँ शामिल होती हैं। ये दोनों ही विद्युत परिचालन बिंदु और घटक संरचना से प्रभावित होती हैं।

उच्च धारा पर, वाइंडिंग प्रतिरोध कॉपर हानियों में योगदान देता है। कोर हानियाँ स्विचिंग आवृत्ति, फ्लक्स घनत्व और कोर सामग्री जैसे कारकों पर निर्भर करती हैं। ये हानियाँ घटक के तापमान में वृद्धि का कारण बनती हैं और समय के साथ इसके विद्युत गुणों को प्रभावित कर सकती हैं।

एआई सर्वर पावर अनुप्रयोगों के लिए, इंजीनियरों को निम्नलिखित की समीक्षा करनी चाहिए:

• रेटेड और संतृप्ति धारा

• डीसी प्रतिरोध और वाइंडिंग हानियाँ

• मुख्य सामग्री और परिचालन आवृत्ति

• डीसी बायस के अंतर्गत प्रेरकत्व में भिन्नता

• अपेक्षित भार पर तापमान वृद्धि

• पैकेज और माउंटिंग व्यवस्था की तापीय विशेषताएँ

सिस्टम में अन्यत्र तरल शीतलन इन बातों को खत्म नहीं करता है। यदि कोई इंडक्टर वायु-शीतित अनुभाग में रहता है, तो भी उसका तापीय प्रदर्शन स्थानीय वायु प्रवाह और ऊष्मा स्थानांतरण पर निर्भर करता है।

कॉम्पैक्ट पावर कन्वर्जन असेंबली के लिए, चुंबकीय घटकों, स्विचिंग उपकरणों और अन्य ताप स्रोतों के बीच की दूरी भी अंतिम तापमान वितरण को प्रभावित कर सकती है।

संधारित्र: तापमान, रिपल करंट और सेवा जीवन

विद्युत रूपांतरण और वितरण परिपथों में संधारित्रों का उपयोग फ़िल्टरिंग, ऊर्जा भंडारण और वोल्टेज स्थिरीकरण के लिए किया जाता है।

विद्युत संरचना में उनकी स्थिति के आधार पर उनकी परिचालन स्थितियां काफी भिन्न हो सकती हैं।

उदाहरण के लिए, डीसी-लिंक कैपेसिटर कनवर्टर संचालन से जुड़े रिपल करंट और विद्युत तनाव का अनुभव कर सकते हैं। आउटपुट कैपेसिटर विभिन्न रिपल प्रोफाइल और क्षणिक स्थितियों के संपर्क में आ सकते हैं।

उच्च घनत्व वाले विद्युत प्रणालियों के लिए संधारित्रों का चयन करते समय, इंजीनियरों को निम्नलिखित बातों का मूल्यांकन करना चाहिए:

• रेटेड वोल्टेज और धारिता

• रिपल करंट क्षमता

• समतुल्य श्रृंखला प्रतिरोध (ईएसआर)

• तापमान रेंज आपरेट करना

• वास्तविक विद्युत और तापीय स्थितियों के अंतर्गत अपेक्षित जीवनकाल

• यांत्रिक आयाम और माउंटिंग आवश्यकताएँ

तापमान कैपेसिटर के सेवा जीवन में एक महत्वपूर्ण कारक है, लेकिन इसका आकलन रिपल करंट और वोल्टेज स्ट्रेस से स्वतंत्र रूप से नहीं किया जाना चाहिए।

आस-पास के उपकरणों का तापमान कम करने वाला शीतलन तंत्र, रिपल करंट के कारण कैपेसिटर के आंतरिक ताप को कम नहीं करता है। घटक की अपनी विद्युत हानियों और तापीय पथ को भी ध्यान में रखना आवश्यक है।

कनेक्टर और इंटरकनेक्ट: स्थानीय तापमान वृद्धि

उच्च क्षमता वाले एआई सिस्टम को पावर शेल्फ, सर्वर रैक और वितरण असेंबली में कॉम्पैक्ट विद्युत कनेक्शन की आवश्यकता होती है।

कनेक्टर, टर्मिनल और बसबार इंटरफेस को स्वीकार्य संपर्क प्रतिरोध और यांत्रिक स्थिरता बनाए रखते हुए इच्छित धारा प्रवाहित करनी चाहिए।

भले ही पूरे आवरण का तापमान नियंत्रित हो, फिर भी विद्युत संपर्क बिंदुओं पर स्थानीय ताप उत्पन्न हो सकता है। संपर्क प्रतिरोध, धारा भार, चालक का आकार, संयोजन की गुणवत्ता और स्थापना की स्थितियाँ, ये सभी तापमान वृद्धि को प्रभावित करते हैं।

घटक का चयन करते समय निम्नलिखित बातों का ध्यान रखना चाहिए:

• वास्तविक स्थापना स्थितियों के अंतर्गत रेटेड करंट

• संपर्क प्रतिरोध और संबंधित बिजली हानि

• इच्छित धारा पर तापमान वृद्धि

• वायर या बसबार संगतता

• कंपन और यांत्रिक प्रतिधारण

• इन्सुलेशन और क्रीपेज संबंधी आवश्यकताएँ

• पर्यावरण संरक्षण और रखरखाव की शर्तें

तरल-शीतित उपकरणों में, कोल्ड प्लेट, शीतलक लाइनों और अन्य तापीय इंटरफेस के सापेक्ष कनेक्टर्स की स्थिति पर भी ध्यान देना आवश्यक है।

विद्युत कनेक्शनों के निकट शीतलक पाइप या मैनिफोल्ड की उपस्थिति, इंस्टॉलेशन लेआउट और सर्विस एक्सेस को डिजाइन समीक्षा के महत्वपूर्ण भागों में से एक बनाती है।

सुरक्षा घटक अपनी वास्तविक परिचालन स्थितियों के अनुरूप होने चाहिए।

फ्यूज और अन्य सुरक्षा उपकरणों का चयन विद्युत दोष संबंधी आवश्यकताओं के अनुसार किया जाता है, न कि केवल सिस्टम की नाममात्र शक्ति रेटिंग के अनुसार।

उच्च-शक्ति डीसी अनुप्रयोगों के लिए, इंजीनियरों को रेटेड वोल्टेज, निरंतर धारा, ब्रेकिंग क्षमता, समय-धारा विशेषताओं और व्यापक सुरक्षा प्रणाली के साथ समन्वय को सत्यापित करने की आवश्यकता होती है।

तापमान की स्थिति भी सुरक्षा घटकों के कार्य करने के तरीके को प्रभावित करती है। परिवेश का तापमान, आवरण का तापमान, माउंटिंग व्यवस्था और आस-पास के घटकों द्वारा उत्पन्न ऊष्मा, लागू धारा वहन क्षमता को प्रभावित कर सकती है।

केवल नाममात्र धारा रेटिंग के आधार पर चुना गया फ्यूज वास्तविक स्थापना स्थितियों के लिए उपयुक्त नहीं हो सकता है। निर्माता के रेटिंग कम करने संबंधी दिशानिर्देशों और इच्छित परिचालन वातावरण की समीक्षा की जानी चाहिए।

स्विचिंग उपकरणों और सुरक्षा से संबंधित अन्य घटकों पर भी यही सिद्धांत लागू होता है: विद्युत रेटिंग, तापीय स्थितियां और स्थापना संबंधी आवश्यकताओं को एक साथ ध्यान में रखना आवश्यक है।

शीतलन अवसंरचना से विद्युत डिजाइन संबंधी विचार भी उत्पन्न होते हैं।

लिक्विड कूलिंग डेटा सेंटर के वातावरण में अतिरिक्त उपकरण और इंटरफेस जोड़ती है।

आर्किटेक्चर के आधार पर, कूलिंग सिस्टम में कूलेंट डिस्ट्रीब्यूशन यूनिट (सीडीयू), पंप, वाल्व, सेंसर, मॉनिटरिंग डिवाइस और कंट्रोल सर्किट शामिल हो सकते हैं।

ये उपकरण सहायक विद्युत भार उत्पन्न करते हैं और बिजली आपूर्ति, स्विचिंग, सेंसिंग और संचार के लिए अतिरिक्त आवश्यकताएं पैदा करते हैं।

पावर इलेक्ट्रॉनिक्स और कंट्रोल सर्किट डिजाइनरों के लिए, कई विवरण ध्यान देने योग्य हैं:

• पंप, सीडीयू और नियंत्रण उपकरणों की विद्युत आवश्यकताएँ

• निगरानी और नियंत्रण उपकरणों के लिए आपूर्ति स्थिरता

• तापमान और प्रवाह दर संवेदन इंटरफेस

• शीतलन नियंत्रण और सुविधा निगरानी प्रणालियों के बीच संचार

• सहायक भारों के लिए विद्युत सुरक्षा

• रखरखाव के लिए उपकरणों की स्थापना और उन तक पहुंच।

शीतलन क्षमता और विद्युत क्षमता आपस में घनिष्ठ रूप से जुड़ी हुई हैं। एक शीतलन प्रणाली को विश्वसनीय बिजली और नियंत्रण की आवश्यकता होती है, जबकि बिजली उपकरण अपने निर्धारित सीमा के भीतर काम करने के लिए उपयुक्त तापीय स्थितियों पर निर्भर करता है।

यह संबंध विशेष रूप से उच्च घनत्व वाली एआई सुविधाओं में महत्वपूर्ण है, जहां बिजली और शीतलन अवसंरचना को पूरी तरह से अलग प्रणालियों के रूप में विकसित करने के बजाय एक साथ योजनाबद्ध किया जाना चाहिए।

घटक चयन को अंतिम रूप देने से पहले एक व्यावहारिक समीक्षा

लिक्विड-कूल्ड एआई डेटा सेंटर के लिए पावर कंपोनेंट्स का मूल्यांकन करते समय, इंजीनियरों को अलग-अलग पार्ट नंबरों की तुलना करने से पहले वास्तविक ऑपरेटिंग स्थितियों का पता लगाना चाहिए।

एक उपयोगी समीक्षा में निम्नलिखित बिंदु शामिल हो सकते हैं:

1. कूलिंग आर्किटेक्चर की पहचान करें। निर्धारित करें कि सिस्टम डायरेक्ट-टू-चिप कूलिंग, रियर-डोर हीट एक्सचेंजर, इमर्शन कूलिंग या इन तरीकों के संयोजन का उपयोग करता है या नहीं।

2. घटकों के स्थान का मानचित्रण करें। पहचानें कि कौन से विद्युत घटक सीधे तरल-शीतित हैं, शीतलन प्रणाली से अप्रत्यक्ष रूप से प्रभावित हैं या अभी भी स्थानीय वायु प्रवाह पर निर्भर हैं।

3. विद्युत संचालन स्थितियों को परिभाषित करें। वोल्टेज, निरंतर धारा, अधिकतम धारा, स्विचिंग आवृत्ति और अपेक्षित लोड भिन्नता की पुष्टि करें।

4. ऊष्मीय सीमाओं का मूल्यांकन करें। जंक्शन तापमान, तापमान वृद्धि, ऊष्मीय प्रतिरोध और निर्माता की रेटिंग में कमी संबंधी आवश्यकताओं की समीक्षा करें।

5. सामग्री और पर्यावरणीय अनुकूलता की जाँच करें। शीतलक या परावैद्युत द्रवों के संपर्क में आने वाले उपकरणों के लिए, संबंधित सामग्रियों और परिचालन स्थितियों के साथ अनुकूलता सत्यापित करें।

6. विद्युत कनेक्शनों की समीक्षा करें। कनेक्टर रेटिंग, संपर्क प्रतिरोध, इन्सुलेशन, स्थापना स्थान और तापमान वृद्धि की जाँच करें।

7. सहायक उपकरणों पर विचार करें। शीतलन अवसंरचना की बिजली, नियंत्रण, संवेदन और संचार संबंधी आवश्यकताओं को शामिल करें।

8. संपूर्ण असेंबली की जाँच करें। घटकों के विनिर्देशों का मूल्यांकन अंतिम आवरण और शीतलन व्यवस्था के संदर्भ में किया जाना चाहिए, न कि केवल डेटाशीट में दी गई विशिष्ट स्थितियों के तहत।

यह प्रक्रिया एक आम डिजाइन संबंधी गलती को रोकने में मदद करती है: यह मान लेना कि तरल शीतलन की उपस्थिति स्वतः ही संपूर्ण विद्युत प्रणाली में तापीय सीमाओं को दूर कर देती है।

एकीकृत विद्युत एवं शीतलन डिजाइन के भीतर घटक चयन

लिक्विड कूलिंग उच्च-घनत्व वाले एआई डेटा सेंटर इंफ्रास्ट्रक्चर का एक महत्वपूर्ण हिस्सा बन रहा है, लेकिन यह सावधानीपूर्वक विद्युत और थर्मल इंजीनियरिंग की आवश्यकता को प्रतिस्थापित नहीं करता है।

सेमीकंडक्टर, इंडक्टर, कैपेसिटर, कनेक्टर, स्विचिंग डिवाइस और सुरक्षा घटकों की परिचालन विशेषताएँ भिन्न-भिन्न होती हैं। इनकी उपयुक्तता विद्युत भार, स्थानीय तापीय स्थितियों, स्थापना वातावरण और आसपास के उपकरणों के साथ परस्पर क्रिया पर निर्भर करती है।

जैसे-जैसे विद्युत रूपांतरण और शीतलन प्रणालियाँ अधिक निकटता से एकीकृत होती जा रही हैं, घटक चयन को विद्युत वितरण श्रृंखला के प्रत्येक चरण में वास्तविक स्थितियों को प्रतिबिंबित करना आवश्यक हो गया है।

ESHINE पावर इलेक्ट्रॉनिक्स और ऊर्जा-संबंधी अनुप्रयोगों के लिए इलेक्ट्रॉनिक घटकों की सोर्सिंग और तकनीकी चयन में सहायता प्रदान करता है। AI सर्वर और डेटा सेंटर पावर परियोजनाओं के लिए, विद्युत मापदंडों, तापीय स्थितियों, पैकेज संबंधी बाधाओं और अनुप्रयोग आवश्यकताओं के अनुसार घटक आवश्यकताओं का मूल्यांकन किया जा सकता है।

सर्किट के इच्छित कार्य, परिचालन मापदंडों और स्थापना वातावरण को साझा करने से आगे की तकनीकी समीक्षा के लिए उपयुक्त घटकों के विकल्पों को सीमित करने में मदद मिलती है।