Aplicaciones

En 2018, la demanda mundial de electricidad era de unos 20,000 TWh. La industria de las tecnologías de la información y las comunicaciones (TIC) representó 2000 TWh o el 10 % de la electricidad mundial, dos de las cuales eran redes (inalámbricas y cableadas) y centros de datos. Solo los centros de datos consumen alrededor de 200 TWh cada año. Los pronósticos ampliamente citados sugieren que la demanda total de electricidad de las TIC se acelerará en la década de 2020 y que los centros de datos se llevarán una porción mayor. La aceleración de la demanda está impulsada por el crecimiento exponencial de los datos y las aplicaciones 5G.

Los centros de datos son los "cerebros" de Internet. Su función es procesar, almacenar y comunicar los datos detrás de los innumerables servicios de información de los que dependemos todos los días, ya sea transmisión de vídeo, correo electrónico, redes sociales, llamadas telefónicas o informática científica. Los centros de datos utilizan diferentes dispositivos TIC para brindar estos servicios, todos los cuales funcionan con electricidad. Los servidores, los componentes clave de las TIC, proporcionan cálculos y lógica en respuesta a las solicitudes de información. Los dispositivos de red, incluidas las estaciones base inalámbricas y Ethernet por cable, conectan el centro de datos a Internet y a los usuarios finales, lo que permite flujos de datos entrantes y salientes. La electricidad utilizada por estos dispositivos informáticos se convierte finalmente en calor, que debe eliminarse del centro de datos mediante equipos de refrigeración que también funcionan con electricidad. Cada punto de mejora de la eficiencia energética tiene un impacto significativo no solo en los costos de operación sino también en la huella de carbono.

Antes de llegar a los componentes finales, toda la energía debe ser procesada por rectificadores frontales. Actualmente, la eficiencia de los sistemas de energía de telecomunicaciones y servidores mejora principalmente en este nivel de rectificador. La eficiencia del rectificador de los principales proveedores es del 90% al 96%. Se ha demostrado que se logra una solución de rectificador con una eficiencia del 98%, pero su aplicación aún está limitada por la disponibilidad y el costo de los dispositivos de banda ancha y los circuitos integrados de control. Además de la eficiencia, la densidad de potencia del rectificador también es un requisito de diseño clave para los centros de datos. Una mayor densidad de potencia del rectificador liberaría más espacio para la instalación de la capacidad del servidor.

Los rectificadores constan de una etapa de recopilación del factor de potencia (PFC) prereguladora y un convertidor CC/CC aislado. Para lograr una eficiencia del rectificador del 98 %, tanto PFC como DC/DC deben funcionar a un nivel de eficiencia del 99 %. El PFC tradicional con aproximadamente un 97.5 % de eficiencia máxima ya no es adecuado para este tipo de diseños. Los PFC sin puente se convierten en la única opción para el diseño de rectificadores de nueva generación. Actualmente, se encuentran en los productos dos topologías diferentes de PFC sin puente, como se muestra a continuación.

Double-Boost PFC se compone esencialmente de dos convertidores boost. Uno opera en ciclos de CA positivos y el otro opera en ciclos de CA negativos. Reduce el número de dispositivos semiconductores en las rutas de procesamiento de energía a 2 en comparación con los 3 PFC tradicionales y, como tal, mejora la eficiencia. La ventaja de esta topología es el control simple. Los controladores PFC tradicionales se pueden utilizar con algunas modificaciones menores en el circuito. El inconveniente es que se necesitan dos inductores de refuerzo, lo que aumentaría el costo de la lista de materiales y afectaría la mejora de la densidad de potencia. Un PFC CrM (modo crítico) monofásico tiene una capacidad de manejo de potencia muy limitada (< 500 W) debido a la ondulación de corriente del inductor de alto impulso y la dificultad del diseño del filtro EMI. Los PFC ZVS CrM con más de 500 W de potencia suelen utilizar entrelazado de dos fases. Al compensar el período de conmutación de las dos fases en 180 grados, las ondulaciones de corriente pueden cancelarse entre sí y la ondulación de corriente total se puede reducir a un rango aceptable.

Con la madurez y la reducción de costos de SiC y GaN, el diseño del rectificador puede emplear topologías más avanzadas y simples para lograr una eficiencia superior al 96 % y operar a frecuencias de conmutación más altas. El siguiente es el PFC tótem CCM (modo de conducción continua), que es muy adecuado para el diseño de rectificadores de kW.

IVCT ha desarrollado un diseño de referencia de PFC tipo tótem de 2.5 kW. Las siguientes son la fotografía del diseño de referencia y los datos de prueba clave. (enlace a la nota de aplicación)

Diseño de referencia de PFC tipo tótem de 2.5 kW

Para las etapas CC/CC, las topologías LLC de medio puente y puente completo se están volviendo muy populares. Hay dos razones principales para hacer 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 principal mérito de esta topología es el ZVS primario de rango de carga completo y el ZCS secundario de amplio rango de carga. Sin inductor en el lado secundario, una salida de servidor/telecomunicaciones de 12 V o 48 V permite utilizar un circuito de rectificación síncrono y reducir significativamente la pérdida de conducción. Las ventajas permiten un diseño de eficiencia superior al 99 % de los convertidores LLC. Debido a la alta ondulación de la corriente de salida de los convertidores LLC, para diseños de salida de alta corriente, a menudo se utiliza la estructura LLC entrelazada para reducir la ondulación del voltaje de salida y mitigar el autocalentamiento del capacitor del filtro de salida.