Ansøgninger

I 2018 var den globale elektricitetsforbrug omkring 20.000TWh. Informations- og kommunikationsteknologisektoren (ICT) udgjorde 2000TWh eller 10% af det globale elektricitetsforbrug, hvoraf de to hoveddele var netværk (trådløse og tråede) og datacentre. Datacentre forbruger alene omkring 200TWh hvert år. Brede forespørgsler foreslår, at det samlede elektricitetsforbrug inden for ICT vil accelerere i 2020'erne, og at datacentre vil få en større andel. Forbrugets acceleration drives af eksponentiel data-vækst og 5G-applikationer.

Datacentre er de ”hjerner” bag internettet. Deres rolle er at behandle, opbevare og kommunikere dataene bag de mange informations services, vi alle afhænger af hver dag, uanset om det er streamede videoer, e-mail, sociale medier, telefonopkald eller videnskabelig beregning. Datacentre bruger forskellige ICT-enheder til at levere disse services, alle hvilke køres på strøm. Servere, de nøgletkomponenter i ICT, leverer beregninger og logik som svar på informationsanmodninger. Netværksenheder, herunder kablerede Ethernet og trådløse basestationer, forbindelse datacentret til internettet og slutbrugere, hvilket gør det muligt at modtage og sende datastrømme. Den strøm, der bruges af disse IT-enheder, konverteres til sidst til varme, som skal fjernes fra datacentret ved køleudstyr, der også kører på strøm. Hver eneste forbedring i effektiviteten påvirker betydeligt ikke kun driftskostnadene, men også kulstof fodspor.

Før man når slutkomponenter, skal al strøm behandles af frond-end rektifikatorer. I øjeblikket bliver effektiviteten af server- og telekommunikationsstrømsystemer hovedsageligt forbedret på denne rektifikatorniveau. Rektifikatoreffektiviteten fra hovedstreamleverandører ligger mellem 90% og 96%. En løsning med 98% rektifikatoreffektivitet har vist sig at kunne opnås, men dens anvendelse er stadig begrænset af tilgængeligheden og omkostningerne ved brede bandløbsenheder og kontrol IC'er. Udenfor effektiviteten er rektifikatorens strømtæthed også et nøglekrav i designet af datacentre. Højere rektifikatorstrømtæthed vil frigøre mere plads til installation af serverkapacitet.

Retificeringsanlæg består af en forreguleringsstage med Power Factor Correction (PFC) og en isoleret DC/DC-konverter. For at opnå en effektivitet på 98% hos retificeren skal både PFC og DC/DC fungere på en effektivitetsniveau på 99%. Tradicionelle PFC'er med en top-effektivitet på omkring 97,5% er ikke længere egnet til sådanne design. Bridgeless PFC'er bliver den eneste mulighed for det nye generations retificeringsdesign. I øjeblikket findes der to forskellige bridgeless PFC-topologier, som vist nedenfor, i produkter.

Double-Boost PFC består i væsentlig grad af to boost-konvertere. Den ene fungerer under positive AC-cykler, og den anden fungerer under negative AC-cykler. Antallet af halvledere i strømbehandlingsstierne reduceres fra 3 i traditionelle PFC'er til 2, hvilket forbedrer effektiviteten. Fordelen ved denne topologi er enkelt regulering. Traditionelle PFC-regulatorer kan bruges med nogle mindre kredsløbsmæssige ændringer. Ulemoen er, at to boost-induktører er nødvendige, hvilket vil øge BOM-omkostningerne og påvirke forbedringen af effektdensiteten. En enkeltfas CrM (Critical Mode) PFC har meget begrænset effekthåndteringskapacitet ( < 500W) på grund af den høje boost-induktørstrømripple og vanskelighederne ved design af EMI-filtre. ZVS CrM PFC'er med over 500W effekt bruger ofte to faser i skudforbindelse. Ved at forskyde de to fasers skiftningsperioder med 180 grader, kan strømrippelene udjævnes hinanden, og den samlede strømripple kan reduceres til et acceptabelt niveau.

Med den modne og omkostningsreduktion af SiC og GaN kan rektifierdesign anvende mere avancerede og enklere topologier for at opnå en effektivitet på 96+% og fungere ved højere skaltetakster. Følgende er CCM (Continuous Conduction Mode) totem-pole PFC, som er godt egnet til kWs rektifierdesign.

IVCT har udviklet en 2.5kW totem-pole PFC reference design. Følgende er billedet af reference designet og nøgletestdata. (link til Anvendelsesnote)

2.5kW Totem-Pole PFC Reference Design

For DC/DC-stadier bliver halvbro og fuldbrøgs LLC-topologier meget populære. Der er to hovedgrunde til, at industrien skifter fra den faseforskydede fulde brugstopologi, som var dominant i design med høj effekt, til LLC-topologien. Fuldt belastningsområde med primær ZVS og bredt belastningsområde med sekundær ZCS er den vigtigste fordel ved denne topologi. Uden spole på sekundærside gør en 12V eller 48V server/telekom-output det muligt at bruge en synkron rektifikationscircuit og reducere ledningstabningen betydeligt. Fordelene gør det muligt at designe LLC-konvertere med en effektivitet på over 99%. På grund af LLC-konverternes høje udgående strømrysk bruges ofte en interleva LLC-struktur i design med høj udgangsstrøm for at reducere udgangsspændingsrysk og mindske selvsedning i udgangsfilterkondensatoren.