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Bis 2018 betrug der weltweite Strombedarf etwa 20,000 TWh. Auf die Industrie der Informations- und Kommunikationstechnologie (IKT) entfielen 2000 TWh oder 10 % des weltweiten Stroms, wobei die beiden Hauptbestandteile Netzwerke (drahtlos und kabelgebunden) und Rechenzentren waren. Allein Rechenzentren verbrauchen jedes Jahr rund 200 TWh. Vielfach zitierte Prognosen deuten darauf hin, dass der gesamte Strombedarf der IKT in den 2020er Jahren ansteigen wird und dass Rechenzentren einen größeren Anteil einnehmen werden. Die Nachfragebeschleunigung wird durch exponentielles Datenwachstum und 5G-Anwendungen vorangetrieben.

Rechenzentren sind das „Gehirn“ des Internets. Ihre Aufgabe besteht darin, die Daten zu verarbeiten, zu speichern und zu kommunizieren, die hinter den unzähligen Informationsdiensten stehen, auf die wir täglich angewiesen sind, sei es Video-Streaming, E-Mail, soziale Medien, Telefonanrufe oder wissenschaftliches Rechnen. Rechenzentren nutzen zur Bereitstellung dieser Dienste unterschiedliche IKT-Geräte, die alle mit Strom betrieben werden. Server, die wichtigsten IKT-Komponenten, stellen Berechnungen und Logik als Reaktion auf Informationsanfragen bereit. Netzwerkgeräte, darunter kabelgebundenes Ethernet und drahtlose Basisstationen, verbinden das Rechenzentrum mit dem Internet und Endbenutzern und ermöglichen so ein- und ausgehende Datenströme. Der von diesen IT-Geräten verbrauchte Strom wird letztlich in Wärme umgewandelt, die durch Kühlgeräte, die ebenfalls mit Strom betrieben werden, aus dem Rechenzentrum abgeführt werden muss. Jeder Punkt der Verbesserung der Energieeffizienz wirkt sich nicht nur erheblich auf die Betriebskosten, sondern auch auf den CO2-Fußabdruck aus.

Bevor der gesamte Strom die Endkomponenten erreicht, muss er von Frontend-Gleichrichtern verarbeitet werden. Derzeit wird die Effizienz von Server- und Telekommunikationsstromsystemen hauptsächlich auf dieser Gleichrichterebene verbessert. Der Gleichrichterwirkungsgrad gängiger Anbieter liegt bei 90 % bis 96 %. Es wurde nachgewiesen, dass eine Lösung mit einem Gleichrichterwirkungsgrad von 98 % erreicht werden kann, ihre Anwendung ist jedoch immer noch durch die Verfügbarkeit und die Kosten von Geräten mit großer Bandlücke und Steuer-ICs begrenzt. Neben der Effizienz ist auch die Leistungsdichte des Gleichrichters eine wichtige Designanforderung für Rechenzentren. Eine höhere Leistungsdichte des Gleichrichters würde mehr Platz für die Installation von Serverkapazitäten schaffen.

Gleichrichter bestehen aus einer Vorregler-PFC-Stufe (Power Factor Collection) und einem isolierten DC/DC-Wandler. Um einen Gleichrichterwirkungsgrad von 98 % zu erreichen, müssen sowohl PFC als auch DC/DC mit einem Wirkungsgrad von 99 % betrieben werden. Herkömmliche PFC mit einem Spitzenwirkungsgrad von etwa 97.5 % sind für solche Designs nicht mehr geeignet. Brückenlose PFCs sind die einzige Option für das Gleichrichterdesign der neuen Generation. Derzeit sind zwei verschiedene brückenlose PFC-Topologien in Produkten, wie unten gezeigt.

Double-Boost PFC besteht im Wesentlichen aus zwei Aufwärtswandlern. Einer arbeitet bei positiven Wechselstromzyklen und der andere bei negativen Wechselstromzyklen. Dadurch wird die Anzahl der Halbleiterbauelemente in den Leistungsverarbeitungspfaden von 2 bei herkömmlichen PFCs auf 3 reduziert, wodurch die Effizienz verbessert wird. Der Vorteil dieser Topologie liegt in der einfachen Steuerung. Herkömmliche PFC-Regler können mit geringfügigen Änderungen an der Schaltung verwendet werden. Der Nachteil besteht darin, dass zwei Boost-Induktoren erforderlich sind, was die Stücklistenkosten erhöhen und sich auf die Verbesserung der Leistungsdichte auswirken würde. Ein einphasiger CrM-PFC (Critical Mode) verfügt aufgrund der hohen Stromwelligkeit der Boost-Induktivität und der Schwierigkeit des EMI-Filterdesigns über eine sehr begrenzte Leistungsbelastbarkeit (< 500 W). ZVS CrM PFCs mit einer Leistung von über 500 W verwenden häufig die Verschachtelung zweier Phasen. Durch die Versetzung der Schaltperiode der beiden Phasen um 180 Grad können sich die Stromwelligkeiten gegenseitig aufheben und die gesamte Stromwelligkeit auf einen akzeptablen Bereich reduziert werden.

Mit der Ausgereiftheit und Kostenreduzierung von SiC und GaN kann das Gleichrichterdesign fortschrittlichere und einfachere Topologien verwenden, um einen Wirkungsgrad von über 96 % zu erreichen und mit höheren Schaltfrequenzen zu arbeiten. Das Folgende ist CCM (Continuous Conduction Mode) Totem-Pole-PFC, das sich gut für das Gleichrichterdesign von kWs eignet.

IVCT hat ein 2.5-kW-Totem-Pole-PFC-Referenzdesign entwickelt. Im Folgenden finden Sie das Referenzdesignfoto und die wichtigsten Testdaten. (Link zum Anwendungshinweis)

2.5 kW Totem-Pole-PFC-Referenzdesign

Für DC/DC-Stufen werden Halbbrücken- und Vollbrücken-LLC-Topologien immer beliebter. Es gibt zwei Hauptgründe für den Branchenwechsel von der phasenverschobenen Vollbrückentopologie, die eine vorherrschende Topologie im Hochleistungsdesign war, zur LLC-Topologie. Der Hauptvorteil dieser Topologie ist der primäre ZVS mit vollem Lastbereich und der sekundäre ZCS mit großem Lastbereich. Da auf der Sekundärseite keine Induktivität vorhanden ist, ermöglicht ein 12-V- oder 48-V-Server-/Telekommunikationsausgang die Verwendung einer synchronen Gleichrichterschaltung und reduziert den Leitungsverlust erheblich. Die Vorteile ermöglichen das Design von LLC-Konvertern mit einem Wirkungsgrad von über 99 %. Aufgrund der hohen Ausgangsstromwelligkeit von LLC-Wandlern wird bei Hochstrom-Ausgangsdesigns häufig eine verschachtelte LLC-Struktur verwendet, um die Ausgangsspannungswelligkeit zu reduzieren und die Selbsterhitzung des Ausgangsfilterkondensators zu verringern.