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直流流給電システムHVDC+12V 方式と サーバラック、バスバー
直流流給電システムHVDC+12V⽅方式と サーバラック、バスバーシステムのご紹介 *NTTデータ先端技術(株)の商品名 2014-‐‑‒6-‐‑‒11 篠原電機(株) 技術開発室 犀川真⼀一 1 その他 5% 給電ロス 20% データセンターの エネルギー消費 IT電力 45% 空調費 30% 2 HVDC+12V⽅方式で電⼒力力変換ロスを削減！ HVDCと再⽣生可能エネルギ－の融合 直流流は様々なエネルギーを容易易に接続することができます。 ⾵風⼒力力発電では、複雑な発電を直流流に変えて再度度交流流にしているが 直流流のまま接続することが可能となる。 全て直流流連携が可能。 AC/DC,DC/AC DC DC 直流超伝導 DC DC 4 4 太陽光ソーラ発電との親和性 太陽光も直流！ ・パワコンレス ・地産地消 ・低価格 5 直流流給電システムで電⼒力力変換ロスを削減！ その他の直流流給電システムの例例 HVDC+12V方式 6 7 直流流給電システムイメージ 分配コンセント HVDC DC340Vライン サーバ側 コネクタ バスバー側 コネクタ バスバー/ DCDC接続 DC/DC電源 PSラック + 分電盤 + バッテリィー盤 ラミネートバスシステム ・・・大電流、安全、低抵抗、瞬時給電能力面より採用 8 ラック内直流流給電システム ラミネートバスバーシステム 9 HVDC+12V方式の課題 受電後、高電圧直流化(HVDC)によりラック間給電を行い、ラック内でDCDC集中電源にて DC+12Vに変換し、サーバへ給電を行う。 このHVDC+12V方式が安全で効率もよく、信頼性も高いと言われている。 しかしながら下記の問題がある。 ①DC12V 最大1000A/ラックの電流給電が必要 バスバー2本の場合、500A/本 ②バスバーとDCDC電源間の大電流問題 接続部位の接触抵抗と接続信頼性が必要。 ③迷走電流(横流問題) ラック内の電流通路とくにリターン経路をしっかり管理しておかないと最悪 他のマザーボード内に電流が流れてサーバ破壊に至る恐れがある。 ④サーバ稼働状態での増設作業 ラック活線状態で電源ケーブルの装着ができること。 バスバーとは安全に抜き外しできるコネクタ接続が必要。 ⑤DCDC電源、バスバーシステムを含めた直流給電用ラックとしての提供 単なる部品としてではなく、直流給電用サーバラックシステムの提供が必要 10 直流流給電⽤用サーバラック 直流給電用サーバラックとして下記のものを収容して提供する。 基本製品 ①サーバラック 19インチマウントアングル等の内部金具、ヒートシャッター機構、仕切り板、 整線金具一式 ②HVDC用分配BOX・・・ラック上部もしくはラック下部 ③HVDC/DC+12V DC/DCコンバータ シェルフ ④DC12V直流給電用ラミネートバスバー ⑤上記③④の接続ケーブル ⑥サーバ用電源コード・・・サーバメーカで用意する場合もある。 ⑦ACコンセントバー・・・実際には交流系も使うことが多々ありコンセントバーを 設けておくことが必要。 オプション ⑦直流給電電力センサー ⑧温度湿度センサーおよび集約装置 ホットアイル・コールドアイルコンテイメント 11 ラック内直流流給電システム ラミネートバスバーシステム事例例 DC12V給電⽤用ラミネートバスと DC/DC集中電源の接続例例 DC12V/DC340V DC/DCコンバータ DC12V直流流サーバー DC12V給電⽤用 ラミネートバス 左新開発ｽﾘﾑﾀｲﾌﾟ 右現⾏行行品 DC12V給電⽤用ラミネートバスの実際事例例 12 新型バスバーシステム 写真 全景 給電部コネクタ バスバーコネクタ メス側 サーバ側コネクタ オス側 13 JAE製コネクタ搭載バスバー サーバ接続部コネクタ バスバーからコネクタ を外したところ 14 ラミネートバスバー仕様(500A仕様) バスバーの電流容量は200/400/500Aの3タイプを用意する。 項目 仕様 補足 層構成 1層+2層 計3層 プラス層のみラミネート マイナス層は2枚重ね 導体寸法 幅40×長さ1090×厚み3 重さ 計算中 実使用電圧・電流 +12V 500A 最大 温度上昇 +15℃以下 絶縁シート PETフィルム125μ 接着剤含む厚さ 150μ +側BUS/-‐側BUS各々絶縁シート貼り付けとなります。 層間耐圧 DC160V 試験電圧AC2500Vrms 1分間 使用環境温度 -‐40℃～+85℃ 最高使用温度 105℃ 導体表面処理 Sn 無効択 電流密度 4.0A/mm2 以下 層間容量 5790pF 導体抵抗値 プラス側 0.015mΩ マイナス側 0.008mΩ 累積ドロップ電圧 41.3mv以下/500A +/-‐合 計値 実使用電流は、タブ毎に20A×40CHとなるが最大電流は500A 1コネクタ2サーバ 40A必要な場合は1コネクタ1サーバ ラミネートの耐熱が105℃として電流密度を定めている。 実際はタブ毎に分流するため詳細計算参照 *導体抵抗計算 1.724(銅抵抗値)×10-‐6×10.9(全長寸法)/0.9(導体断面積)=0.02mΩ 15 ゼクノパワーラック XECHNO POWER RACK 基本構成 □サーバラック □集中電源シェルフ □7分配コンセント □直流給電用ラミネートバスバー 16 バスバー側 サーバ接続用コネクタ仕様 仕様項目 極数 4極 定格電流 40A/極 耐電圧 DC600V 定格電圧 DC60V 接触抵抗 5ｍｍΩ以下 接触部メッキ 金メッキ0.76μ 電線接続最大径 5.5sq 使用温度 -‐55℃～+105℃ 材質 コンタクト 銅合金 ハウジング PBTガラス入りUL94V0 コンタクトピッチ 8.3ｍｍ バスバーとの接続方式 バスバー両面止め M4ネジ 17 最新の村田製作所製DC/DC集中電源 ムラタDC/DC電源 DC12V出力接続部 最大1.2KW 7台実装できる。 18 新型バスバーシステム 試作写真 村田製DC/DC接続コネクタ部 村田製DC/DC電源接続部 日本航空電子製直流接続コネクタ バスバーの電線引き出し部 電線サイズ AWG2 200A/本 19 DC340V 7分配コンセント リバースタイプコネクタで電極 が出ていないタイプを採用。 20 ラック内直流流給電 DC12V給電モデル Lインダクタンス(瞬時給電能力面より小さいのが良い) 小さいのが良い。 コネクタ 保護 DC/DC電源 フレキバス 接続部 ラミネート 接続部 接触部 ヒューズ 電源コード 接続部 胴体抵抗 抵抗 バス導体抵抗 抵抗 抵抗 抵抗 抵抗 R1 R2 R3 DC12V R17 R4 R5 R6 R7 R8 C 静電容量(大きい程良い) R16 R15 R14 R13 R12 横流対策 ΣR10-‐R17＜R横 リターン抵抗をできるだけ小さくすることで横 流を無くして不要なところに電流が流れて サーバを壊さないようにする。 R14の直流対抗をR4の1/2以下としておく必要 がある。すなわちバスバーのリターン側の銅 の厚さを倍にする。 コネクタ 接触部 抵抗 R9 L サーバ負荷 R11 R10 横流 R横 21 バスバーの導体抵抗とドロップ電圧計算(５００A仕様) ラミネートﾊ ﾞｽ ﾊ ﾞｰの導体抵抗とドロップ電圧計算 2013/12/18 縦下部もしくは上部給電の場合の抵抗値計算 L型給電の場合 プラス側 導体断面積 マイナス側 導体断面積 端子間ﾋﾟｯﾁ 44.45の場合 mmΩ R(66) 0.006 各抵抗値 端子ﾌﾞﾛｯｸ1 端子ﾌﾞﾛｯｸ2 端子ﾌﾞﾛｯｸ3 端子ﾌﾞﾛｯｸ4 端子ﾌﾞﾛｯｸ5 端子ﾌﾞﾛｯｸ6 端子ﾌﾞﾛｯｸ7 端子ﾌﾞﾛｯｸ8 端子ﾌﾞﾛｯｸ9 端子ﾌﾞﾛｯｸ10 端子ﾌﾞﾛｯｸ11 端子ﾌﾞﾛｯｸ12 端子ﾌﾞﾛｯｸ13 端子ﾌﾞﾛｯｸ14 端子ﾌﾞﾛｯｸ15 端子ﾌﾞﾛｯｸ16 給電ポイント R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 R9 R10 R11 R12 R13 R14 R15 R16 R17 0.006 0.006 0.006 0.006 0.006 0.006 0.006 0.006 0.006 0.006 0.006 0.006 0.006 0.006 0.006 0.006 0.006 全抵抗値 0.102 電流密度 4.2A/m m 2 通過電流値 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 510 1.2 2.4 4.0A/m m 2以下が必要 プラス側 ドロップ電圧 累積ドロップ値 電力損失 mV mV mW 0.18 27.54 5.4 RR1 0.36 27.36 21.6 RR2 0.54 27.00 48.6 RR3 0.72 26.46 86.4 RR4 0.90 25.74 135.0 RR5 1.08 24.84 194.4 RR6 1.26 23.76 264.6 RR7 1.44 22.50 345.6 RR8 1.62 21.06 437.4 RR9 1.80 19.44 540.0 RR10 1.98 17.64 653.4 RR11 2.16 15.66 777.6 RR12 2.34 13.50 912.6 RR13 2.52 11.16 1058.4 RR14 2.70 8.64 1215.0 RR15 2.88 5.94 1382.4 RR16 3.06 3.06 1560.6 RR17 9639.0 全抵抗値 リターンも入れたドロップ電圧 先端のタブ端子電圧値 12V出力時 11.96 フレキシブルバスバーの抵抗 0 .01*2を含めると 11.94 ハーネス側のドロップ 17m Vを含めると 11.92 全電力損失はリターン側の損失も入れて 各抵抗値 通過電流値 0.003 0.003 0.003 0.003 0.003 0.003 0.003 0.003 0.003 0.003 0.003 0.003 0.003 0.003 0.003 0.003 0.003 0.051 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 510 マイナス側 ドロップ電圧 累積ドロップ値 電力損失 mV mV mW 0.09 13.77 2.7 0.18 13.68 10.8 0.27 13.50 24.3 0.36 13.23 43.2 0.45 12.87 67.5 0.54 12.42 97.2 0.63 11.88 132.3 0.72 11.25 172.8 0.81 10.53 218.7 0.90 9.72 270.0 0.99 8.82 326.7 1.08 7.83 388.8 1.17 6.75 456.3 1.26 5.58 529.2 1.35 4.32 607.5 1.44 2.97 691.2 1.53 1.53 780.3 4819.5 12.12V出力の時 12.07869 12.05869 12.04169 14.5 22 バスバーの導体抵抗・静電容量計算資料 導体抵抗計算 R=r×L/s r=導体抵抗率1.724＊10-6 Ωcm 2/cm プラス側端子間 プラス側全長抵抗計算 マイナス側端子間 マイナス側全長抵抗計算 R=1.724＊10-6＊4.45/1.2 R=1.724＊10 -6＊10.5/1.2 R=1.724＊10-6＊4.45/2.4 R=1.724＊10-6＊10.5/2.4 静電容量計算 h 「pF」 キャパシタンス Ｃ＝8.854＊10 -‐3 ＊εr＊Ｗ＊Ｄ/Ｔ εr：絶縁材料の比誘電率 およそ3 Ｗ：導体幅 30mm Ｄ：導体長さ 760mm Ｔh：導体間距離(＝絶縁層厚み) およそ0.20mm 抵抗値 m Ω 0.006393167 0.015085 0.003196583 0.0075425 導体幅 4 0m m の場合では Ｃ＝8.854＊10-3＊3＊40＊1090/0.2＝ pF 5790.516 電流密度計算 温度上昇検討 最大使用条件 4.0A/m m 2以下が必要 計算値 500A/120m m 2 4.166666667 ぎりぎりO K ラミネートの耐熱温度は+85℃まであるため340Aまで流しても KIVの内線規程の約300Aに対して問題はない。 フレキバスバー選択 6*16*0.8 400Aまで使用可能 4*16*0.8 340Aまで使用可能 ハーネス側のドロップ 抵抗値 m Ω ドロップ電圧m V at340A 0.018637838 6.336864865 0.027584 9.37856 0.5 ドロップ電圧m V at34A 17 23 電力の見える化 電力センサー開発 データセンターのクラウド化が進展しつつある。クラウドサーバは時々刻々と負荷 が変動するがデータセンターの電源容量量は全負荷分は⽤用意しないでサーバ負荷調整 を⾏行行うのが⼀一般的である。この場合電⼒力力計測が必要となる。電⼒力力が⾒見見えることで最 適な運⽤用ができ、システムダウンも防ぐことができる。 この部分の電力センシングが必要 直流給電バスバー サーバ 直流給電電源コード センサー+オペアンプ+1チップマイコン+WIFI 大阪市大との共同開発 24 電力の見える化 電力センサー開発 25 さくらインターネット様の国内最大級石狩デー タセンターにHVDC導入。 2013/5よりサービス開始 この後さくらインターネット様から詳しい紹介がございます。 引き続きご覧いただきたく思います。 コンテナHVDC 実証試験 ありがとうございました。 [email protected] 27