Дата-центры становятся «киллер-приложением» для новых трансформаторов питания
Дата-центры стали крупнейшим драйвером резкого роста спроса на электроэнергию, который перегружает электросети США. Но ИИ-бум также ускорил инвестиции в технологию, которая может стать светлой полосой для всех, — твердотельные силовые трансформаторы, заменяющие технологии промышленной эпохи современной силовой электроникой.
Электросети сейчас полагаются на традиционную трансформаторную технологию, которая кропотливо собирается вручную и имеет базовую конструкцию, восходящую к 1880-м годам. Две медные катушки, вручную намотанные вокруг стального сердечника, создают электромагнитные поля, помогающие повышать напряжение переменного тока для передачи на дальние расстояния или понижать его для нужд домов и предприятий. Крупнейшие силовые трансформаторы невозможно производить серийно — их изготавливают на заказ для электрических подстанций каждой коммунальной компании.
Ограничения производства в сочетании со спешкой по модернизации электросетевой инфраструктуры США означают, что коммунальным предприятиям и другим клиентам приходится ждать поставки новых силовых трансформаторов до нескольких лет. Это проблема не только для расширения инфраструктуры электросетей под растущий спрос, но и для замены устаревающих трансформаторов.
Твердотельные трансформаторы, напротив, полагаются на высокочастотную полупроводниковую коммутацию для преобразования напряжения и могут серийно производиться с использованием полупроводниковых материалов, таких как карбид кремния. Такие трансформаторы физически меньше и легче обычных, имеют модульную конструкцию, позволяющую легко модернизировать или заменять части, и могут работать как универсальные силовые электронные устройства, выполняя сразу несколько задач.
Технологические компании, строящие крупнейшие ИИ-дата-центры, заинтересованы в твердотельных трансформаторах, потому что они внедряют архитектуры постоянного тока (DC) для поддержки серверных стоек, набитых энергоёмкими ИИ-чипами. Твердотельные трансформаторы могут напрямую преобразовывать переменный ток (AC) из распределительной сети местной электросети в постоянный ток, необходимый таким дата-центрам, — без отдельного электронного устройства для такого преобразования AC/DC.
«Это своего рода один волшебный бокс, который устраняет массу инфраструктуры, а также даёт единую точку управления, что снимает многие проблемы совместимости, которые встречаются в традиционном дата-центре, где различные компоненты пытаются регулировать одно и то же, — говорит Срджан Лукич, профессор электротехники и вычислительной техники Университета штата Северная Каролина. — Теперь у вас есть один этап преобразования вне зала с серверами, и дальше вы идёте прямо к стойке».
От «киллер-приложения» к массовому внедрению
Дата-центры стали «киллер-приложением для твердотельных трансформаторов прямо сейчас», рассказал Лукич Ars. Несколько американских компаний, включая Amperesand, Heron Power и DG Matrix, за последний год в совокупности привлекли более $280 млн финансирования для коммерциализации технологии твердотельных трансформаторов.
Твердотельные трансформаторы также могут значительно сократить количество меди и других материалов, необходимых проектам дата-центров, а их меньший физический размер позволяет девелоперам дата-центров использовать освободившееся пространство для других целей, пояснил Лукич.
В долгосрочной перспективе успешная коммерциализация твердотельных трансформаторов может даже помочь смягчить общий дефицит в цепочке поставок, затрагивающий силовые трансформаторы. Это сделало бы трансформаторы более доступными для модернизации и расширения электросетей за пределами проектов дата-центров.
«Существует относительно немного специализированных компаний, производящих традиционные трансформаторы, тогда как твердотельные трансформаторы — это как электронное устройство, — отметил Лукич. — Это полностью открывает пространство для того, кто может играть в сфере трансформаторов, а также открывает, где их можно производить».
Те же преимущества твердотельных трансформаторов применимы и к зарядке электромобилей, которая аналогично опирается на постоянный ток. Лукич и его коллеги недавно продемонстрировали, как твердотельный трансформатор, подключённый к действующей линии электропередачи, может обрабатывать до 1 мегаватта мощности при зарядке аккумулятора электромобиля: трансформатор выполнял необходимое понижение напряжения, одновременно преобразуя переменный ток в постоянный.
Демонстрация NC State проходит в лаборатории доставки электроэнергии, принадлежащей некоммерческому Electric Power Research Institute в Леноксе, штат Массачусетс, и является кульминацией сотрудничества с New York Power Authority, начавшегося в 2018 году. Твердотельный трансформатор размером примерно 1 на 1,5 на 2 метра находится в транспортном контейнере на площадке с мая 2026 года и должен вернуться в NC State в сентябре после месяцев испытаний в летних условиях.
«Это выглядит как большой трансформаторный бокс с несколько иной формой — большая глыба того, что выглядит как сталь, — говорит Лукич. — Он заменяет три глыбы стали одной и убирает значительную часть проводки и траншей, которые обычно требуются для применения в электромобилях».
Твердотельный трансформатор имеет модульную конструкцию с активным входным каскадом, взаимодействующим с электросетью, преобразователем AC/DC и высокочастотным гальваническим трансформатором, который либо повышает, либо понижает напряжение. Ключевой технологией стал изготовленный на заказ гальванический компонент, способный выдерживать «полное напряжение сети, полное распределительное напряжение» на относительно компактном устройстве, пояснил Лукич.
Перед технологией ещё стоят инженерные и коммерческие вызовы. Но Лукич надеется, что внедрение твердотельных трансформаторов в дата-центрах поможет «снизить риски» технологии для массового принятия за пределами ИИ-строительства технологической индустрии.
«Помимо дата-центров, мы можем думать о зарядке электромобилей в густонаселённых районах, — говорит Лукич. — Многие нагрузки в наших домах теперь на постоянном токе, так что возможность распределять постоянный ток в современных домах даст значительные преимущества».
