التطبيقات

بحلول عام 2018، بلغ الطلب العالمي على الكهرباء حوالي 20,000 تيراواط ساعة. كانت حصة قطاع تقنية المعلومات والاتصالات (ICT) حوالي 2000 تيراواط ساعة أو 10٪ من استهلاك الكهرباء العالمي، وكان هناك جزآن رئيسيان为此: الشبكات (اللاسلكية والسلكية) ومراكز البيانات. تستهلك مراكز البيانات وحدها حوالي 200 تيراواط ساعة سنويًا. تشير التوقعات الموثوقة إلى أن إجمالي الطلب على الكهرباء في قطاع تقنية المعلومات والاتصالات سينمو بشكل أسرع خلال العقد 2020، وأن مراكز البيانات ستستحوذ على نصيب أكبر. يُعزى هذا النمو السريع إلى زيادة هائلة في كمية البيانات واستخدامات تقنية الجيل الخامس (5G).

تُعتبر مراكز البيانات "الدماغ" للإنترنت. دورها هو معالجة، تخزين، وإرسال البيانات التي تقع وراء الخدمات المعلوماتية المختلفة التي نعتمد عليها يوميًا، سواء كانت بث الفيديو، البريد الإلكتروني، وسائل التواصل الاجتماعي، المكالمات الهاتفية، أو الحسابات العلمية. تستخدم مراكز البيانات أجهزة مختلفة من تقنيات الاتصالات والمعلومات لتوفير هذه الخدمات، وكلها تعمل بالكهرباء. تعتبر الخوادم، وهي المكونات الرئيسية لتقنيات الاتصالات والمعلومات، توفر العمليات والمنطق استجابةً لطلبات المعلومات. تتصل الأجهزة الشبكية، بما في ذلك محطات الإيثرنت السلكية واللاسلكية، مركز البيانات بشبكة الإنترنت والمستخدمين النهائيين، مما يمكّن تدفق البيانات الواردة والصادرة. يتم تحويل الكهرباء المستخدمة بواسطة هذه الأجهزة إلى حرارة، والتي يجب إزالتها من مركز البيانات باستخدام معدات التبريد التي تعمل أيضًا بالكهرباء. كل تحسين في كفاءة الطاقة يؤثر بشكل كبير ليس فقط على تكلفة التشغيل ولكن أيضًا على البصمة الكربونية.

قبل الوصول إلى المكونات النهائية، يجب معالجة كل الطاقة بواسطة مُستقيمات الجهة الأمامية. حاليًا، يتم تحسين كفاءة أنظمة الطاقة الخاصة بالخوادم والاتصالات بشكل رئيسي على مستوى المستقيم. كفاءة المستقيمات لدى الشركات الرئيسية تتراوح بين 90٪ و96٪. وقد تم إثبات تحقيق حلول كفاءة مستقيمة بنسبة 98٪، لكن تطبيقها لا يزال محدودًا بسبب توفر أجهزة التحكم ومكونات IC ذات الفجوة العريضة وتكاليفها. بالإضافة إلى الكفاءة، فإن كثافة قوة المستقيم تعد أيضًا متطلب تصميم أساسي للمراكز البيانات. الكثافة العالية لقوة المستقيم ستتيح مساحة أكبر لتثبيت سعة الخوادم.

تتكون المُستقيمات من مرحلة جمع عامل القوة (PFC) ذات تنظيم مسبق ومن محول DC/DC معزول. لتحقيق كفاءة مستقيمة تصل إلى 98%، يجب أن تعمل كل من PFC و DC/DC عند مستوى كفاءة يبلغ 99%. لم تعد PFC التقليدية التي تصل كفاءتها الذروة إلى حوالي 97.5% مناسبة لهذه التصاميم بعد الآن. أصبحت PFC بلا جسر الخيار الوحيد لتصميم المستقيمات الجيل الجديد. حاليًا، هناك عمليتان مختلفتان لتقنيات PFC بلا جسر، كما هو موضح أدناه، في المنتجات.

يعتمد PFC Double-Boost بشكل أساسي على مُحَوِّلَيْن من نوع boost. يعمل أحدهما أثناء الدورات الموجبة لتيار AC والآخر أثناء الدورات السالبة لتيار AC. يقلل هذا التصميم عدد الأجهزة شبه الموصلة في مسارات معالجة الطاقة إلى 2 بدلاً من 3 الموجودة في PFC التقليدية، مما يؤدي إلى تحسين الكفاءة. الميزة لهذا التصميم هي التحكم البسيط. يمكن استخدام وحدات تحكم PFC التقليدية مع تعديلات طفيفة في الدائرة. العيب هو الحاجة إلى محولين من نوع boost، مما سيزيد من تكلفة المواد الفعلية ويؤثر على تحسين كثافة الطاقة. PFC أحادي المرحلة بوضع CrM (Critical Mode) لديه قدرة معالجة طاقة محدودة جدًا (أقل من 500W) بسبب الارتفاع الكبير في تذبذب تيار المحول وصعوبة تصميم مرشح EMI. غالبًا ما يستخدم PFC CrM ZVS بقوة تتجاوز 500W تقاطعًا ثنائي المرحلة. عن طريق تأخير فترة التبديل بين المرحلتين بمقدار 180 درجة، يمكن إلغاء التذبذبات الحالية المتبادلة وتقليل التذبذب الإجمالي للتيار إلى نطاق مقبول.

مع نضج تقنيات SiC و GaN وخفض تكاليفها، يمكن تصميم مُستقيم يعمل بطرائق أكثر تقدمًا وبساطة لتحقيق كفاءة تزيد عن 96% ويعمل بترددات تحويل أعلى. ما يلي هو PFC بنمط totem-pole في وضع CCM (وضع الانتقال المستمر)، والذي يناسب بشكل جيد تصميم مُستقيمات بألف واط أو أكثر.

طورت IVCT تصميم مرجعي PFC بنمط totem-pole بقدرة 2.5 kW. ما يلي هو صورة التصميم المرجعي والبيانات الرئيسية للاختبار. (رابط إلى ملاحظات التطبيق)

تصميم مرجعي PFC بنمط totem-pole بقدرة 2.5 kW

لمراحل DC/DC، تصبح طوبولوجيات نصف الجسر والجسر الكامل LLC شائعة جدًا. هناك سببان رئيسيان لجعل الصناعة تتحول من طوبولوجيا الجسر الكامل ذات التحول الفазي، التي كانت الطوبولوجيا المهيمنة في تصميمات الطاقة العالية، إلى طوبولوجيا LLC. النطاق الكامل للحمل الأساسي ZVS والنطاق الواسع للحمل الثانوي ZCS هو الفضل الرئيسي لهذه الطوبولوجيا. بدون ملف ثانوي، يتيح إخراج خادم / اتصالات بجهد 12V أو 48V استخدام دارة التصحيح المتزامن وتقليل فقدان الانتقال بشكل كبير. المزايا تمكن محوّلات LLC من تحقيق تصميم كفاءة بنسبة 99٪+. بسبب الاهتزاز العالي الحالي للإخراج في محوّلات LLC، غالبًا ما يتم استخدام هيكل LLC المتداخل في تصميمات الإخراج الحالي العالي لتقليل اهتزاز الجهد في الإخراج وتخفيف تسخين المكثف الخاص بمرشح الإخراج.