درخواست ها

تا سال ۲۰۱۸، تقاضای برق جهانی حدود ۲۰٬۰۰۰ تراوات ساعت بود. صنعت فناوری اطلاعات و ارتباطات (ICT) برابر با ۲۰۰۰ تراوات ساعت یا ۱۰٪ از مصرف برق جهانی بود، که دو بخش اصلی آن شبکه‌ها (بی‌سیم و سیمی) و مرکزهای داده بود. فقط مرکزهای داده هر ساله حدود ۲۰۰ تراوات ساعت برق مصرف می‌کنند. پیش‌بینی‌های گسترده اشاره دارند که مجموع تقاضای برق ICT در دهه ۲۰۲۰ شتاب خواهد گرفت و مرکزهای داده نسبت بیشتری را از این مصرف به خود اختصاص خواهند داد. شتاب این تقاضا توسط رشد نمایی داده‌ها و کاربردهای ۵G است.

مرکز داده‌ها عقل اصلی اینترنت هستند. نقش آن‌ها پردازش، ذخیره سازی و ارتباط داده‌های مربوط به خدمات اطلاعاتی مختلفی است که ما هر روز از آن‌ها استفاده می‌کنیم، آیا فیلم‌های استریمینگ، ایمیل، شبکه‌های اجتماعی، تماس تلفنی یا محاسبات علمی باشد. مرکز داده‌ها از دستگاه‌های مختلف ICT برای ارائه این خدمات استفاده می‌کند که همه آن‌ها توسط برق تغذیه می‌شوند. سرورها، که اجزای اصلی ICT هستند، محاسبات و منطق لازم را برای پاسخ به درخواست‌های اطلاعاتی ارائه می‌دهند. دستگاه‌های شبکه‌ای، شامل استه‌های بی‌سیم و اترنت سیمی، مرکز داده را به اینترنت و کاربران نهایی متصل می‌کنند و جریان داده‌های ورودی و خروجی را ممکن می‌سازند. برق مصرف شده توسط این دستگاه‌های IT در نهایت به گرما تبدیل می‌شود که باید توسط تجهیزات سرمایشی که نیز از برق تغذیه می‌شوند، از مرکز داده حذف شود. هر بهبودی در کارایی مصرف انرژی به طور قابل توجهی نه تنها هزینه‌های عملیاتی را کاهش می‌دهد بلکه بر اثرپذیری کربنی نیز تأثیر می‌گذارد.

قبل از رسیدن به مولفه‌های نهایی، تمام توان باید توسط مستقیم‌کننده‌های سیستم جلو (فرانت-اند) پردازش شود. در حال حاضر، کارایی سیستم‌های توان سرور و تلکوم عمدتاً در سطح مستقیم‌کننده بهبود یافته است. کارایی مستقیم‌کننده‌های فروشنده‌های اصلی بین 90٪ تا 96٪ قرار دارد. راه‌حلی با کارایی مستقیم‌کننده 98٪ ثابت شده است، اما کاربرد آن هنوز توسط دسترسی و هزینه دستگاه‌های باند گسترده و IC‌های کنترل محدود می‌شود. علاوه بر کارایی، چگالی توان مستقیم‌کننده نیز یکی از ضرورت‌های طراحی اصلی مرکز داده است. چگالی توان بالاتر مستقیم‌کننده، فضا بیشتری را برای نصب ظرفیت سرور آزاد می‌کند.

تصویب‌کننده‌ها شامل یک مرحله جمع‌کننده فاکتور توان (PFC) پیش‌تنظیم‌کننده و یک تبدیل‌کننده DC/DC عایق هستند. برای دستیابی به کارایی 98 درصدی تصویب‌کننده، هر دو PFC و DC/DC باید با سطح کارایی 99 درصد عمل کنند. PFC سنتی با کارایی اوجی حدود 97.5 درصد دیگر مناسب برای این طراحی‌ها نیست. PFC بدون پل تنها گزینه برای طراحی نسل جدید تصویب‌کننده می‌شود. در حال حاضر دو توپولوژی متفاوت PFC بدون پل، همانطور که زیر نشان داده شده است، در محصولات وجود دارند.

PFC دو بارگیری به طور اساسی از دو تقویت کننده تشکیل شده است. یکی در چرخه‌های مثبت AC و دیگری در چرخه‌های منفی AC فعال می‌شود. این ساختار تعداد دستگاه‌های نیمه رسانا در مسیرهای پردازش قدرت را از 3 در PFC سنتی به 2 کاهش می‌دهد و بنابراین کارایی بهبود می‌یابد. نکته قوت این توپولوژی کنترل ساده است. کنترلرهای سنتی PFC با تغییرات کوچک در مدار می‌توانند استفاده شوند. نکته ضعف آن این است که نیاز به دو اندازه زنده دارد، که این موضوع هزینه BOM را افزایش می‌دهد و بهبود 密度 قدرت را تحت تأثیر قرار می‌دهد. PFC فاز تکی CrM (حالت انتقادی) ظرفیت کار با قدرت بسیار محدودی ( < 500W) دارد به علت ریپل جریان بالا در اندازه زنده و دشواری در طراحی فیلتر EMI. PFCs CrM ZVS با قدرت بیش از 500W اغلب از دو فاز تعاملی استفاده می‌کنند. با جابجایی دوره سوئیچینگ دو فاز به اندازه 180 درجه، ریپل‌های جریان می‌توانند یکدیگر را لغو کنند و ریپل کلی جریان به محدوده قابل قبول کاهش می‌یابد.

با رسیدن به نرخ کاهش هزینه و بالا رفتن سطح بلوارکربور و نیترود Gallium، طراحی مستقیم‌گر می‌تواند توپولوژی‌های پیشرفته‌تر و ساده‌تری را به کار ببرد تا کارایی 96٪+ را دستیابی کند و در فرکانس‌های کمتر جایگزین شوند. ادامه آن CCM (حالت هدایت پیوسته) است که برای طراحی مستقیم‌گر مناسب است.

IVCT یک طرح نمونه PFC ستونی 2.5kW توسعه داده است. زیرا عکس طرح نمونه و داده‌های آزمایشی کلیدی قابل مشاهده هستند. (لینک به یادداشت کاربردی)

طرح نمونه PFC ستونی 2.5kW

برای مراحل DC/DC، توپولوژی‌های نیمه-پل و پل کامل LLC بسیار محبوب شده‌اند. دو دلیل اصلی برای تغییر صنعت از توپولوژی پل کامل فاز-شیفت، که در طراحی قدرت بالا غالب بود، به توپولوژی LLC وجود دارد. ZVS اولیه در سراسر بار کامل و ZCS ثانویه در دامنه عرضه بار گسترده، اصلی‌ترین مزیت این توپولوژی است. با عدم وجود اندازه‌گیری روی سمت ثانویه، خروجی سرور یا ارتباطات 12V یا 48V امکان استفاده از مدار مستقیم‌ساز هماهنگ و کاهش قابل توجه زیادی در ازدیاد رسانایی را فراهم می‌کند. این مزایا به طراحی کارآمدی بیش از 99% برای تبدیل‌کننده‌های LLC کمک می‌کند. به دلیل ریزش جریان خروجی بالا در تبدیل‌کننده‌های LLC، برای طراحی‌های خروجی جریان بالا، ساختار LLC تعاملی غالباً استفاده می‌شود تا ریزش ولتاژ خروجی را کاهش دهد و گرمای خودسری حاصل از فیلتر خروجی را کاهesh دهد.