Aplicaciones

Para 2018, la demanda global de electricidad era de aproximadamente 20,000TWh. La industria de Tecnologías de la Información y Comunicación (TIC) representaba 2000TWh o el 10% de la electricidad global, de los cuales las dos principales porciones eran redes (inalámbricas y con cable) y centros de datos. Los centros de datos solos consumen alrededor de 200TWh cada año. Pronósticos citados ampliamente sugieren que la demanda total de electricidad de las TIC se acelerará en la década de 2020, y que los centros de datos tendrán una mayor participación. La aceleración de la demanda es impulsada por el crecimiento exponencial de los datos y las aplicaciones de 5G.

Los centros de datos son los “cerebros” de internet. Su papel es procesar, almacenar y comunicar los datos que están detrás de los diversos servicios de información en los que confiamos todos los días, ya sea para ver videos en streaming, enviar correos electrónicos, usar redes sociales, hacer llamadas telefónicas o realizar cálculos científicos. Los centros de datos utilizan diferentes dispositivos de TIC para proporcionar estos servicios, todos los cuales funcionan con electricidad. Los servidores, componentes clave de las TIC, ofrecen cálculos y lógica en respuesta a las solicitudes de información. Los dispositivos de red, incluidas las tarjetas Ethernet con cable y las estaciones base inalámbricas, conectan el centro de datos a internet y a los usuarios finales, permitiendo flujos de datos entrantes y salientes. La electricidad utilizada por estos dispositivos de TI se convierte finalmente en calor, que debe ser eliminado del centro de datos mediante equipos de enfriamiento que también funcionan con electricidad. Cada punto de mejora en la eficiencia energética impacta significativamente no solo en el costo operativo, sino también en la huella de carbono.

Antes de llegar a los componentes finales, toda la energía debe ser procesada por los rectificadores de entrada. Actualmente, la eficiencia de los sistemas de alimentación de servidores y telecomunicaciones se mejora principalmente a nivel de rectificación. La eficiencia de rectificación de los principales fabricantes está entre el 90% y el 96%. Se ha demostrado que es posible alcanzar una solución de eficiencia de rectificación del 98%, pero su aplicación sigue estando limitada por la disponibilidad y el costo de los dispositivos de banda ancha y los ICs de control. Además de la eficiencia, la densidad de potencia del rectificador también es un requisito clave en el diseño para los centros de datos. Una mayor densidad de potencia del rectificador liberaría más espacio para la instalación de capacidad de servidores.

Los rectificadores consisten en un pre-regulador de corrección del factor de potencia (PFC) y un convertidor DC/DC aislado. Para alcanzar una eficiencia de rectificación del 98%, tanto el PFC como el DC/DC deben operar con un nivel de eficiencia del 99%. El PFC tradicional, con una eficiencia pico de aproximadamente el 97.5%, ya no es adecuado para este tipo de diseños. Los PFC sin puente se convierten en la única opción para el diseño de los nuevos rectificadores. Actualmente, existen dos topologías diferentes de PFC sin puente, como se muestra a continuación, que están presentes en los productos.

Double-Boost PFC está esencialmente compuesto de dos convertidores boost. Uno opera en los ciclos AC positivos y el otro en los ciclos AC negativos. Reduce el número de dispositivos semiconductores en las rutas de procesamiento de potencia a 2, en lugar de los 3 tradicionales en PFC convencionales, y por lo tanto mejora la eficiencia. La ventaja de esta topología es un control simple. Los controladores PFC tradicionales pueden ser utilizados con algunas modificaciones menores en el circuito. La desventaja es que se necesitan dos inductores boost, lo que aumentaría el costo del BOM y afectaría la mejora de la densidad de potencia. Un PFC de fase única en modo CrM (Critical Mode) tiene una capacidad de manejo de potencia muy limitada (< 500W) debido a la alta corriente de ondulación del inductor boost y a la dificultad de diseño del filtro EMI. Los PFCs ZVS CrM con más de 500W de potencia a menudo utilizan dos fases intercaladas. Al desfasear los períodos de conmutación de las dos fases en 180 grados, las ondulaciones de corriente pueden cancelarse entre sí y la ondulación total de corriente puede reducirse a un rango aceptable.

Con la madurez y reducción de costos del SiC y GaN, el diseño de rectificadores puede emplear topologías más avanzadas y simples para lograr una eficiencia del 96+% y operar a frecuencias de conmutación más altas. A continuación se presenta el PFC en configuración totém-polo en CCM (Modo de Conducción Continua), que es muy adecuado para el diseño de rectificadores de kWs.

IVCT ha desarrollado un diseño de referencia de PFC en configuración totém-polo de 2.5kW. A continuación se muestran la foto del diseño de referencia y los datos clave de prueba. (enlace a la Nota Técnica)

Diseño de Referencia de PFC en Configuración Totém-Polo de 2.5kW

Para etapas DC/DC, las topologías de puente medio y puente completo LLC están ganando mucha popularidad. Hay dos razones principales para que la industria cambie de la topología de puente completo con desplazamiento de fase, que era una topología dominante en el diseño de alta potencia, a la topología LLC. El ZVS primario en todo el rango de carga y el ZCS secundario en un amplio rango de carga son los principales méritos de esta topología. Sin inductor en el lado secundario, una salida de servidor o telecomunicaciones de 12V o 48V permite utilizar un circuito de rectificación sincrónica y reducir significativamente la pérdida de conducción. Las ventajas permiten un diseño de convertidores LLC con una eficiencia del 99+% o más. Debido a la alta ondulación de corriente de salida de los convertidores LLC, para diseños de salida de alta corriente, se utiliza comúnmente una estructura LLC entrelazada para reducir la ondulación de voltaje de salida y mitigar el auto-calentamiento del condensador del filtro de salida.