التطبيقات

وبحلول عام 2018، بلغ الطلب العالمي على الكهرباء حوالي 20,000 ألف تيراواط/ساعة. تمثل صناعة تكنولوجيا المعلومات والاتصالات (ICT) 2000 تيراواط/ساعة أو 10% من الكهرباء العالمية، جزأين رئيسيين منها عبارة عن الشبكات (اللاسلكية والسلكية) ومراكز البيانات. تستهلك مراكز البيانات وحدها حوالي 200 تيراواط ساعة كل عام. وتشير التوقعات التي يتم الاستشهاد بها على نطاق واسع إلى أن إجمالي الطلب على الكهرباء في مجال تكنولوجيا المعلومات والاتصالات سوف يتسارع في عشرينيات هذا القرن، وأن مراكز البيانات ستأخذ شريحة أكبر. ويعود تسارع الطلب إلى النمو الهائل في البيانات وتطبيقات الجيل الخامس.

مراكز البيانات هي "أدمغة" الإنترنت. يتمثل دورهم في معالجة وتخزين وتوصيل البيانات وراء عدد لا يحصى من خدمات المعلومات التي نعتمد عليها كل يوم، سواء كان ذلك بث الفيديو أو البريد الإلكتروني أو الوسائط الاجتماعية أو المكالمات الهاتفية أو الحوسبة العلمية. وتستخدم مراكز البيانات أجهزة مختلفة لتكنولوجيا المعلومات والاتصالات لتقديم هذه الخدمات، وجميعها تعمل بالكهرباء. توفر الخوادم، وهي المكونات الرئيسية لتكنولوجيا المعلومات والاتصالات، الحسابات والمنطق استجابة لطلبات المعلومات. تقوم أجهزة الشبكة، بما في ذلك محطات Ethernet السلكية واللاسلكية، بتوصيل مركز البيانات بالإنترنت والمستخدمين النهائيين، مما يتيح تدفق البيانات الواردة والصادرة. يتم تحويل الكهرباء التي تستخدمها أجهزة تكنولوجيا المعلومات هذه في النهاية إلى حرارة، والتي يجب إزالتها من مركز البيانات عن طريق معدات التبريد التي تعمل أيضًا بالكهرباء. لا تؤثر كل نقطة من تحسين كفاءة الطاقة بشكل كبير على تكلفة التشغيل فحسب، بل تؤثر أيضًا على البصمة الكربونية.

قبل الوصول إلى المكونات النهائية، يجب معالجة جميع الطاقة بواسطة مقومات نهاية السعفة. حاليًا، يتم تحسين كفاءة أنظمة طاقة الخادم والاتصالات في الغالب عند مستوى المقوم هذا. تتراوح كفاءة المقوم لدى البائعين الرئيسيين من 90% إلى 96%. لقد تم إثبات نجاح حل كفاءة المقوم بنسبة 98%، لكن تطبيقه لا يزال محدودًا بسبب توفر وتكلفة الأجهزة واسعة النطاق ودوائر التحكم المرحلية. إلى جانب الكفاءة، تعد كثافة طاقة المقوم أيضًا من متطلبات التصميم الرئيسية لمراكز البيانات. ستوفر كثافة طاقة المقوم الأعلى مساحة أكبر لتثبيت سعة الخادم.

تتكون المقومات من مرحلة تجميع عامل القدرة (PFC) للمنظم المسبق ومحول DC/DC معزول. لتحقيق كفاءة مقوم بنسبة 98%، يحتاج كل من PFC وDC/DC إلى العمل بمستوى كفاءة بنسبة 99%. لم يعد الـ PFC التقليدي الذي تبلغ كفاءته القصوى حوالي 97.5% مناسبًا لمثل هذه التصاميم بعد الآن. أصبحت مركبات الكربون الكلورية فلورية بدون جسر هي الخيار الوحيد لتصميم مقوم الجيل الجديد. يوجد حاليًا في المنتجات طوبولوجيتان مختلفتان لمركبات الكربون الكلورية فلورية غير الجسرية، كما هو موضح أدناه.

يتكون Double-Boost PFC بشكل أساسي من محولين معززين. يعمل أحدهما في دورات تيار متردد موجبة والآخر يعمل في دورات تيار متردد سالبة. فهو يقلل من عدد أجهزة أشباه الموصلات في مسارات معالجة الطاقة إلى 2 من 3 لمركبات PFC التقليدية، وبالتالي يتم تحسين الكفاءة. ميزة هذه الطوبولوجيا هي التحكم البسيط. يمكن استخدام وحدات التحكم PFC التقليدية مع بعض التعديلات الطفيفة في الدائرة. العيب هو أن هناك حاجة إلى اثنين من محاثات التعزيز، الأمر الذي من شأنه أن يزيد من تكلفة BOM ويؤثر على تحسين كثافة الطاقة. يتمتع PFC أحادي الطور CrM (الوضع الحرج) بقدرة محدودة للغاية على التعامل مع الطاقة (<500 واط) بسبب تموج تيار مغو التعزيز العالي وصعوبة تصميم مرشح EMI. غالبًا ما تستخدم مركبات ZVS CrM PFCs ذات الطاقة التي تزيد عن 500 واط تشذيرًا على مرحلتين. ومن خلال تعويض فترة التبديل بين المرحلتين بمقدار 180 درجة، يمكن أن تلغي تموجات التيار بعضها البعض ويمكن تقليل تموجات التيار الإجمالية إلى نطاق مقبول.

مع التخفيض الناضج والتكلفة لـ SiC وGaN، يمكن لتصميم المقوم استخدام طبولوجيا أكثر تقدمًا وبساطة لتحقيق كفاءة بنسبة 96+% والعمل بترددات تحويل أعلى. ما يلي هو CCM (وضع التوصيل المستمر) الطوطم PFC، وهو مناسب تمامًا لتصميم مقوم kWs.

طورت IVCT تصميمًا مرجعيًا لقطب الطوطم PFC بقدرة 2.5 كيلو وات. فيما يلي صورة التصميم المرجعي وبيانات الاختبار الرئيسية. (رابط إلى ملاحظة التطبيق)

تصميم مرجعي لقطب الطوطم PFC بقدرة 2.5 كيلو وات

بالنسبة لمراحل DC/DC، أصبحت طبولوجيا LLC نصف الجسر والجسر الكامل ذات شعبية كبيرة. هناك سببان رئيسيان لتحول الصناعة من طوبولوجيا الجسر الكامل ذات التحول المرحلي، والتي كانت طوبولوجيا سائدة في تصميم الطاقة العالية، إلى طوبولوجيا شركة ذات مسؤولية محدودة. يعد نطاق التحميل الكامل ZVS الأساسي ونطاق التحميل الواسع الثانوي ZCS هو الميزة الرئيسية لهذه الهيكل. مع عدم وجود محث على الجانب الثانوي، فإن مخرج الخادم/الاتصالات 12 فولت أو 48 فولت يجعل من الممكن استخدام دائرة تصحيح متزامنة وتقليل فقدان التوصيل بشكل كبير. تتيح المزايا تصميم كفاءة محولات LLC بنسبة 99+%. نظرًا لتموج تيار الخرج العالي لمحولات LLC، لتصميمات مخرجات التيار العالي، غالبًا ما يتم استخدام هيكل LLC المتداخل لتقليل تموج جهد الخرج وتخفيف التسخين الذاتي لمكثف مرشح الخرج.