Σco时间丨突破更高功率密度 华为100kW UPS功率模块技术解密 原创

至顶网计算频道 03月16日 新闻消息（文/李祥敬）：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，因此需要配备不间断电源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FusionPower 2.0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”。

3U 100kW，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，#Σco时间#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。

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每柜提高至10kW每柜，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100k，到后来的数个模块100k，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。”

华为100kW UPS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检降低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100kW UPS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，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0开关损耗；电感采用专利磁芯，铜损&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，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。

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，FusionPower 2.0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柜降低为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FusionPower2.0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。

FusionPower 2.0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FusionPower 1200kVA方案只需要一个输入柜，一个输出柜即可，8柜变4柜。FusionPower 1200k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。华为的模块化相比业界的一个优势是，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，5分钟即可完成在线维护。

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FusionPower 2.0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10分钟备电部署1.2M框架和6个100k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，10分钟备电，只需要增加6个100k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。

据悉，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。”