Anwendungen

Bis 2018 betrug die weltweite Elektrizitätsnachfrage etwa 20.000 TWh. Die Informations- und Kommunikationstechnologie (ICT)-Branche verbrauchte 2.000 TWh oder 10 % der weltweiten Elektrizität, wovon die zwei Hauptanteile Netzwerke (drahtlos und kabelgebunden) und Rechenzentren waren. Allein die Rechenzentren verbrauchen jährlich etwa 200 TWh. weit verbreitete Prognosen deuten darauf hin, dass der gesamte Stromverbrauch der ICT-Branche in den 2020er Jahren zunehmen wird und dass Rechenzentren einen größeren Anteil davon einnehmen werden. Diese Zunahme wird durch exponentielles Datenwachstum und 5G-Anwendungen getrieben.

Rechenzentren sind die „Gehirne“ des Internets. Ihre Aufgabe ist es, Daten zu verarbeiten, zu speichern und zu kommunizieren, die hinter den zahllosen Informationsdiensten stehen, auf die wir täglich angewiesen sind, sei es Videostreaming, E-Mail, soziale Medien, Telefonanrufe oder wissenschaftliches Rechnen. Rechenzentren nutzen verschiedene ICT-Geräte, um diese Dienste bereitzustellen, alle von ihnen werden durch Elektrizität angetrieben. Server, die Schlüsselkomponenten der ICT, liefern Berechnungen und Logik als Reaktion auf Informationsanfragen. Netzwerkgeräte, einschließlich kabelgebundener Ethernet- und drahtloser Basisstationen, verbinden das Rechenzentrum mit dem Internet und den Endbenutzern, was den Datenaustausch ermöglicht. Die Elektrizität, die von diesen IT-Geräten genutzt wird, wird letztlich in Wärme umgewandelt, die aus dem Rechenzentrum mittels Kühltechnik, die ebenfalls elektrisch betrieben wird, entfernt werden muss. Jeder Verbesserungspunkt in Bezug auf Energieeffizienz hat einen erheblichen Einfluss nicht nur auf die Betriebskosten, sondern auch auf den Kohlenstofffußabdruck.

Bevor sie die Endkomponenten erreichen, muss alle Energie durch Front-End-Rektifier verarbeitet werden. Derzeit wird die Effizienz von Server- und Telekommunikationsstromsystemen hauptsächlich auf der Rektifierebene verbessert. Die Rektifiereffizienz der Hauptanbieter liegt zwischen 90 % und 96 %. Es wurde bewiesen, dass eine Rektifiereffizienz von 98 % erreichbar ist, aber ihre Anwendung wird weiterhin durch Verfügbarkeit und Kosten von Breitspaltbauelementen und Steuer-ICs begrenzt. Neben der Effizienz ist auch die Leistungsdichte des Rektifiers ein wichtiges Designanforderung für Rechenzentren. Eine höhere Rektifierleistungsdichte schafft mehr Platz für die Installation von Serverkapazitäten.

Gleichrichter bestehen aus einer Vorregler-Stufe mit Power-Factor-Correction (PFC) und einem isolierten DC/DC-Wandler. Um eine Wirkungsgrad von 98% beim Gleichrichter zu erreichen, müssen sowohl PFC als auch DC/DC auf einem Effizienzniveau von 99% arbeiten. Traditionelle PFC mit etwa 97,5% Spitzenwirkungsgrad eignen sich nicht mehr für solche Designs. Bridgeless-PFCs werden zur einzige Option für die neue Generation von Gleichrichtern. Derzeit sind zwei verschiedene Bridgeless-PFC-Topologien, wie unten gezeigt, in Produkten enthalten.

Double-Boost PFC besteht im Wesentlichen aus zwei Boost-Wandlern. Einer arbeitet während der positiven AC-Phasen und der andere während der negativen AC-Phasen. Es reduziert die Anzahl der Halbleiterbauelemente in den Leistungsaufbereitungsstrecken von 3 bei traditionellen PFCs auf 2, wodurch die Effizienz gesteigert wird. Der Vorteil dieser Topologie ist eine einfache Steuerung. Traditionelle PFC-Regler können mit einigen geringfügigen Schaltungsanpassungen verwendet werden. Der Nachteil ist, dass zwei Boost-Spulen benötigt werden, was die BOM-Kosten erhöht und die Verbesserung der Leistungsichte beeinträchtigen kann. Ein single-phase CrM (Critical Mode) PFC hat eine sehr begrenzte Leistungsabwicklungsfähigkeit (< 500W) aufgrund der hohen Spulenstromrippel und der Schwierigkeit des EMI-Filterdesigns. ZVS CrM PFCs mit über 500W Leistung verwenden oft zwei Phasen im Wechselbetrieb. Durch Verschiebung der Schaltzeiträume der beiden Phasen um 180 Grad können sich die Stromrippel gegenseitig aufheben und der Gesamtrippel kann auf ein akzeptables Maß reduziert werden.

Mit der Reifung und dem Kostensenkung von SiC und GaN kann die Rechteckifier-Design komplexere und einfachere Topologien einsetzen, um eine Effizienz von 96+% zu erreichen und bei höheren Schaltfrequenzen zu arbeiten. Folgendes ist der CCM (Continuous Conduction Mode) Totem-Pole PFC, welcher gut für kWs Rechteckifier-Design geeignet ist.

IVCT hat eine 2,5 kW Totem-Pole PFC Referenzdesign entwickelt. Folgend sind das Foto des Referenzdesigns und die wesentlichen Testdaten. (Link zur Anwendungshinweis)

2,5 kW Totem-Pole PFC Referenzdesign

Für Gleichrichterschritte werden Halbbrücke- und Vollbrücke-LLC-Topologien immer beliebter. Es gibt zwei Hauptgründe, warum die Industrie von der phasenverschobenen Vollbrücke-Topologie, die in der Hochleistungsentwicklung dominant war, zur LLC-Topologie wechselt. Der Hauptvorteil dieser Topologie ist die primäre ZVS (Zero Voltage Switching) und die sekundäre ZCS (Zero Current Switching) über einen breiten Lastbereich. Ohne Spule auf der Sekundärseite ermöglicht eine 12V- oder 48V-Server-/Telekomausgangsspannung den Einsatz einer synchronen Rektifikationsschaltung und reduziert den Leitungsverlust erheblich. Diese Vorteile ermöglichen LLC-Wandlern eine Wirkungsgradgestaltung von über 99%. Aufgrund des hohen Ausgangsstromripples bei LLC-Wandlern wird für Entwürfe mit hoher Ausgangsstromstärke oft eine gestaffelte LLC-Struktur verwendet, um das Ausgangsspannungsripple zu verringern und das Selbstheizen der Ausgangsfilterkondensatoren zu mildern.