Voici comment des alimentations électriques efficaces et configurables peuvent fournir des architectures de puissance durables et à haute densité face à une demande de puissance croissante.
Cet article est publié par pÉlectrique dans le cadre d’un partenariat exclusif de contenu numérique avec Bodo’s Power Systems.
La consommation mondiale d’électricité devrait croître de 3.5 % au cours des prochaines années, stimulée par une demande accrue dans tous les secteurs, notamment les applications industrielles énergivores et les centres de données qui répondent à des besoins en capacité de traitement pour l’intelligence artificielle (IA) et l’apprentissage automatique (ML). Dans le même temps, les défis législatifs, environnementaux et de coûts opérationnels poussent les concepteurs et les architectes système à fournir des technologies d’alimentation et de conversion optimisées qui soutiennent une livraison d’énergie ultra-efficace et évolutive dans les plus petits facteurs de forme possibles.
Les exigences en matière d’alimentation des applications de prochaine génération
Les moteurs sont un élément clé de nombreux systèmes industriels, consommant une part importante d’électricité. En effet, des estimations suggèrent que les systèmes entraînés par moteur représentent les plus gros consommateurs d’énergie, à environ 40 % de toute utilisation d’électricité. Les applications industrielles se développent rapidement, les usines étant modernisées pour répondre aux besoins de l’Industrie 4.0, intégrant l’Internet industriel des objets (IIoT) avec ses divers besoins en énergie.
La diversité des niveaux de puissance rend l’alimentation d’une installation industrielle complexe. Les moteurs nécessitent des puissances variant de quelques dizaines de watts à plusieurs kilowatts. De nombreux systèmes de contrôle ont des exigences standards pour alimenter les niveaux logiques, tandis que des capteurs et d’autres dispositifs spécifiques à des applications peuvent nécessiter des tensions non standards, dont beaucoup peuvent ne pas être disponibles à partir d’une alimentation standard.
À mesure que la technologie dans les applications industrielles devient plus mobile (par exemple, les véhicules guidés automatisés dans les opérations logistiques), il existe un besoin croissant d’applications énergétiques avec une sortie de courant constant pour recharger les batteries.
Le secteur des centres de données utilise également des quantités d’énergie colossales, soutenant les services basés sur le cloud qui font partie intégrante de nombreux aspects de la vie quotidienne. La demande pour ces services croît de manière exponentielle, notamment avec l’explosion des applications d’IA et de ML et l’augmentation de la virtualisation des télécommunications. Un rapport récent a estimé que les centres de données ont consommé 460 TWh en 2022 et devraient consommer entre 650 TWh et plus de 1 000 TWh en 2026, ce qui implique une croissance d’au moins 40 %, avec un doublement envisageable.
Figure 1. Les centres de données modernes nécessitent d’énormes quantités d’énergie. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Adobe Stock
De nombreux serveurs d’IA consomment plus de 100 kW, ce qui conduit à un certain raffinement de l’architecture d’alimentation au sein des centres de données. L’utilisation de 48 V comme tension de bus devient de plus en plus courante, avec la normalisation du 48 V impulsée par l’initiative Open Rack du Open Compute Project. Passer de 12 V à 48 V réduit le courant et donc les pertes de puissance associées dans les câbles, tout en diminuant la génération de chaleur, ce qui entraîne des économies d’énergie dans le fonctionnement de l’alimentation électrique, le refroidissement et la ventilation.
Alimentation modulaire et configurable
La densité de puissance est fortement liée à l’efficacité de l’alimentation. Si l’alimentation est plus efficace, moins de chaleur est générée. Cela signifie que moins d’espace est requis pour les mesures d’atténuation thermique telles que les ventilateurs ou les dissipateurs de chaleur. Moins d’air forcé étant nécessaire à travers l’unité d’alimentation (PSU), les composants peuvent être placés plus près les uns des autres, réduisant ainsi la consommation d’espace globale. Bien entendu, accroître l’efficacité n’est pas trivial et nécessite des composants hautes performances, des topologies efficaces, de bonnes pratiques de conception dans l’ensemble de l’unité d’alimentation, ainsi qu’une expérience dans la conception pour l’efficacité. En même temps, fournir une puissance optimisée (c’est-à-dire exactement ce dont une application a besoin) garantit qu’aucune puissance excessive n’est consommée.
Tous ces facteurs stimulent la croissance des alimentations modulaires et configurables.
En général, les alimentations contiennent un circuit d’entrée qui redresse le courant alternatif du réseau et fournit la correction du facteur de puissance (PFC) et l’isolation de sécurité, suivi d’une seconde étape pour produire les tensions nécessaires aux charges. Une alimentation modulaire et configurable conserve cette architecture électrique. Cependant, bien que l’étage d’entrée (PFC) soit fixe dans le châssis, chaque sortie est généralement un module discret qui se branche sur un plan arrière à la limite primaire/secondaire.
La plupart des fabricants proposent une gamme de modules de sortie, dont beaucoup sont ajustables. Cela, associé à la possibilité de connecter plusieurs modules en parallèle ou en série, permet de réaliser un nombre illimité de configurations de sortie avec peu plus qu’un tournevis. Les modules contiennent normalement des fonctionnalités de protection (OVP, OCP, court-circuit, etc.) et une fonction de détection à distance pour les charges éloignées.
Comme la différence principale entre une alimentation standard et une alimentation modulaire configurable est mécanique (la séparation physique entre le primaire et le secondaire), une alimentation configurable est tout aussi efficace que n’importe quelle alimentation standard similaire. De plus, l’approche modulaire soutient le concept de puissance optimisée grâce à sa flexibilité. Les ingénieurs systèmes peuvent configurer rapidement une solution d’alimentation unique qui fournit des tensions logiques standards et non standards pour des composants système plus inhabituels sans acheter une solution « surdimensionnée » prête à l’emploi.
Figure 2. NeoPower NP08 offre jusqu’à 4 kW de puissance dans un châssis compact de huit emplacements. Image utilisée avec l’aimable autorisation d’Advanced Energy et de Bodo’s Power Systems [PDF]
Les solutions modulaires ne sont plus limitées aux conceptions à faible et moyen pouvoir. Pour des applications industrielles et médicales à forte puissance, par exemple, Advanced Energy a récemment lancé la solution d’alimentation configurable NeoPower qui peut fournir jusqu’à 4 kW de puissance dans un châssis de 2,5″ de hauteur et de 8 emplacements, avec une plage de tension d’entrée de 90 à 264 VAC.
Les unités sont configurées via une interface graphique utilisateur (GUI) propriétaire. Cinq modules de sortie isolés galvaniquement sont disponibles, avec des tensions de sortie fixes et ajustables allant jusqu’à 300 VDC. Les modules peuvent être connectés en série et en parallèle pour réaliser de nombreuses options de tension et de courant. Des opérations en source de tension et en source de courant sont possibles.
Figure 3. La solution d’alimentation Open Rack de 18 kW d’Advanced Energy. Image utilisée avec l’aimable autorisation d’Advanced Energy et de Bodo’s Power Systems [PDF]
L’alimentation modulaire pour les architectures montées en rack des centres de données adopte une approche légèrement différente, dictée par des normes telles que la spécification ORv3 de l’OCP qui fournit un cadre de base pour le déploiement à grande échelle de racks. Advanced Energy, par exemple, propose une étagère d’alimentation conforme à l’ORv3 dans sa gamme de produits Artesyn, dans laquelle six modules d’alimentation de 3 kW peuvent être installés pour offrir une capacité jusqu’à 50 V/18 kW.
Les modules de redressement de 3 kW, qui présentent une efficacité de 97,8 % parmi les meilleurs de leur catégorie et acceptent une entrée AC dans la plage de 200 à 277 VAC, sont entièrement conformes à l’OCP et peuvent être remplacés à chaud pour soutenir la redondance au sein du rack.
Le rack 1OU peut être utilisé avec un ou deux cordons d’alimentation, offrant l’option de redondance N+1 (15 kW) ou redondance N+N (9 kW) avec des cordons doubles. Les configurations d’entrée peuvent être 3P Delta 4 W, 3P Wye 5 W et 3 x de 1P.
Connectivité, communication et surveillance
Enfin, il convient de noter que les alimentations modernes sont de plus en plus « connectées ». Le NeoPower NP08 dispose d’un bus de communication qui prend en charge MODBUS RS-485 et divers autres protocoles, tels que PMBus et CANOPEN, grâce à un dongle. NeoPower prendra en charge plusieurs protocoles standard de l’industrie sans ajouter de coûts et une complexité inutiles au modèle de base. Le rack ouvert de 3 kW dispose d’une interface Ethernet compatible DTMF Redfish via un contrôleur d’étagère remplaçable à chaud.
Les bus de communication numériques permettent aux concepteurs de systèmes d’accéder à des paramètres clés de fonctionnement de l’alimentation, tels que la tension, le courant et la température. La surveillance de ces informations pour détecter des changements inattendus (comme un tirage de puissance supplémentaire) peut alerter sur une défaillance imminente, empêchant ainsi qu’une simple tâche de maintenance ne se transforme en panne complète.
Cet article est paru à l’origine dans le magazine Bodo’s Power Systems [PDF].