Εφαρμογές

Κατά το 2018, η παγκόσμια ζήτηση ηλεκτρισμού ήταν περίπου 20.000TWh. Η βιομηχανία Πληροφορικής και Τηλεπικοινωνιών (ICT) εξαρτώταν από 2000TWh ή 10% του παγκόσμιου ηλεκτρισμού, με δύο κύριες κατηγορίες να είναι τα δίκτυα (αδρανείς και καταδεδομένοι) και τα κέντρα δεδομένων. Τα κέντρα δεδομένων μόνα καταναλώνουν περίπου 200TWh κάθε χρόνο. Ευρέως αναφερόμενες προβλέψεις υποδηλώνουν ότι η συνολική ζήτηση ηλεκτρισμού της ICT θα επιταχυνθεί κατά τη δεκαετία του 2020 και ότι τα κέντρα δεδομένων θα λάβουν μεγαλύτερο μερίδιο. Η επιτάχυνση της ζήτησης είναι κινητήριο της εκδηλώσεως εκθετικής αύξησης των δεδομένων και των εφαρμογών 5G.

Τα κέντρα δεδομένων είναι τα «εγκεφάλια» του διαδικτύου. Η ρόλος τους είναι να επεξεργάζονται, να αποθηκεύουν και να επικοινωνούν τα δεδομένα πίσω από τις ποικίλες υπηρεσίες πληροφοριών στις οποίες εξαρτώμαστε κάθε μέρα, είτε πρόκειται για ροή βίντεο, email, κοινωνικά μέσα, τηλεφωνικές κλήσεις ή επιστημονικές υπολογισμούς. Τα κέντρα δεδομένων χρησιμοποιούν διαφορετικά συστήματα ICT για να παρέχουν αυτές τις υπηρεσίες, όλα τα οποία λειτουργούν με ηλεκτρισμό. Οι διακομιστές, οι κύριοι συστατικοί των ICT, παρέχουν υπολογισμούς και λογική απάντηση σε αιτήματα πληροφοριών. Τα δίκτυα συσκευών, συμπεριλαμβανομένων των καταδεδομένων Ethernet και των βάσεων χωρίς καλωδία, συνδέουν τα κέντρα δεδομένων με το διαδίκτυο και τους τελικούς χρήστες, επιτρέποντας τις εισερχόμενες και εξερχόμενες ροές δεδομένων. Ο ηλεκτρισμός που χρησιμοποιείται από αυτές τις IT συσκευές μετατρέπεται τελικά σε θερμότητα, η οποία πρέπει να αφαιρεθεί από τα κέντρα δεδομένων με κρύοσυστηματικές συσκευές που επίσης λειτουργούν με ηλεκτρισμό. Κάθε βαθμός βελτίωσης της αποδοτικότητας της δύναμης επηρεάζει σημαντικά όχι μόνο το κόστος λειτουργίας αλλά και τις άντιπτες ενδιάμεσες εκπομπές CO2.

Πριν φτάσουν στα τελικά κομπόνια, όλη η ισχύς πρέπει να επεξεργασθεί από ορθωτές μπροστών. Σήμερα, η αποδοτικότητα των συστημάτων δικτύου και τηλεπικοινωνιών βελτιώνεται κυρίως σε αυτό το επίπεδο των ορθωτών. Η αποδοτικότητα των ορθωτών των κυρίων παραγόντων είναι από 90% έως 96%. Έχει αποδειχθεί ότι μια λύση με αποδοτικότητα ορθωτή 98% μπορεί να επιτευχθεί, αλλά η εφαρμογή της παραμένει περιορισμένη λόγω της διαθεσιμότητας και του κόστους των συσκευών ευρείας ζώνης και των μονάδων ελέγχου IC. Εκτός από την αποδοτικότητα, η μοναδιαία δύναμη του ορθωτή είναι επίσης κρίσιμος σχεδιαστικός παράγοντας για τα κέντρα δεδομένων. Μεγαλύτερη μοναδιαία δύναμη του ορθωτή θα ελευθερώνει περισσότερο χώρο για την εγκατάσταση χωρικής ικανότητας των διακοπτηρίων.

Οι οπλοστάτες αποτελούνται από μια προηγουμένη φάση ρυθμιστή παράγοντα δύναμης (PFC) και μια απομονωμένη μετατροπή DC/DC. Για να επιτευχθεί αποδοση 98% των οπλοστάτων, και η PFC και η μετατροπή DC/DC πρέπει να λειτουργούν με επίπεδο αποδοσης 99%. Οι παραδοσιακές PFC με κορυφαία αποδοση περίπου 97,5% δεν είναι πλέον κατάλληλες για τέτοιες σχεδιάσεις. Οι ένοπλες PFC γίνονται η μοναδική επιλογή για τη σχεδιασμό της νέας γενιάς οπλοστάτων. Τρέχουσα, δύο διαφορετικές τοπολογίες ένοπλων PFC, όπως εμφανίζονται κάτω, βρίσκονται σε προϊόντα.

Ο Double-Boost PFC αποτελείται ουσιαστικά από δύο μετατροπείς επένδυσης. Ο ένας λειτουργεί κατά τις θετικές κύκλους του ΕΦ, ενώ ο άλλος λειτουργεί κατά τις αρνητικές κύκλους του ΕΦ. Μειώνει τον αριθμό των πολυσήμαντων συσκευών στις μοναδικές μονάδες επεξεργασίας ενέργειας από 3 σε 2, με αποτέλεσμα να βελτιωθεί η αποδοση. Το πλεονέκτημα αυτής της τοπολογίας είναι η απλή ελέγχου. Οι παραδοσιακές ελεγκτές PFC μπορούν να χρησιμοποιηθούν με μερικές μικρές τροποποιήσεις στο κύκλωμα. Το μειονέκτημα είναι ότι χρειάζονται δύο μετατροπείς επένδυσης, που θα αυξήσουν το κόστος BOM και θα επηρεάσουν την βελτίωση της μοναδικής πυκνότητας ενέργειας. Ένα μονοφασικό CrM (Critical Mode) PFC έχει πολύ περιορισμένη δυνατότητα επεξεργασίας ενέργειας (<500W) λόγω της υψηλής ροπής των ρευμάτων της μετατροπής και της δυσκολίας σχεδιασμού του φίλτρου EMI. Οι ZVS CrM PFCs με δυναμικό πάνω από 500W χρησιμοποιούν συχνά δύο φάσεις με διαμεσολάβηση. Με την κάλυψη της διαδοχής κατά 180 βαθμούς των δύο φασών, οι ροπές των ρευμάτων μπορούν να αποκατασταθούν η μία την άλλη και η συνολική ροπή των ρευμάτων μπορεί να μειωθεί σε αποδεκτό επίπεδο.

Με την ωριμότητα και μείωση του κόστους του SiC και GaN, η σχεδίαση οπλού μπορεί να χρησιμοποιήσει πιο προηγμένες και απλές τοπολογίες για να επιτύχει αποδοτικότητα 96%+ και να λειτουργεί σε υψηλότερες συχνότητες κατάθλιψης. Το εξής είναι CCM (Συνεχής Λειτουργικός Λαμβάνοντας Κύμα) totem-pole PFC, το οποίο είναι κατάλληλο για τη σχεδίαση οπλού με δυναμικό kWs.

Η IVCT έχει αναπτύξει μια σχεδίαση αναφοράς totem-pole PFC 2.5kW. Τα εξής είναι το φωτογραφικό της σχεδίασης αναφοράς και οι κλειδιαίες δεδομένες δοκιμών. (σύνδεση στην Εφαρμογή Σημείωση)

Σχεδίαση Αναφοράς Totem-Pole PFC 2.5kW

Για τις φάσεις DC/DC, οι τοπολογίες μισού και πλήρους μостa LLC γίνονται πολύ δημοφιλείς. υπάρχουν δύο κύριες αιτίες που κάνουν τη βιομηχανία να μετακινηθεί από τη τοπολογία πλήρους μostφε με μεταβαλλόμενη φάση, η οποία ήταν κυριαρχική τοπολογία στον σχεδιασμό υψηλής δύναμης, στη τοπολογία LLC. Η πλήρης ZVS (Zero Voltage Switching) στην πρωτεύουσα κατά μήκος όλου του φορτίου και η ευρεία ZCS (Zero Current Switching) στη δευτερεύουσα είναι η κύρια πλεονέκτημα αυτής της τοπολογίας. Χωρίς ένδυτρο στη δευτερεύουσα πλευρά, μια έξοδος 12V ή 48V για δικτύωμα σερβερών ή τηλεπικοινωνιών κάνει δυνατή τη χρήση κυκλώματος συγχρονισμένης ορθοποίησης και μειώνει σημαντικά την ζητητική απώλεια. Τα πλεονεκτήματα επιτρέπουν σχεδιασμό μετατροπών LLC με αποδοτικότητα 99%+. Λόγω της υψηλής θάλασσας έξοδου στρόφων των μετατροπών LLC, για σχεδιασμούς με υψηλή έξοδο στρόφων, χρησιμοποιείται συχνά διαδραματική δομή LLC για να μειωθεί η θάλασσα έξοδου της άλλης άκρης και να αντιμετωπιστεί η αυτοθέρμανση των καπακτόρων φίλτρου έξοδου.