Alkalmazási területek Magyarország

2018-ra a globális villamosenergia-igény körülbelül 20,000 2000 TWh volt. Az információs és kommunikációs technológiai (IKT) iparág 10 TWh-t, vagyis a globális villamosenergia-termelés 200%-át adta, ennek két fő részét a hálózatok (vezeték nélküli és vezetékes) és az adatközpontok alkották. Csak az adatközpontok évente körülbelül 2020 TWh-t fogyasztanak. A széles körben idézett előrejelzések szerint a 5-as években felgyorsul az IKT teljes villamosenergia-igénye, és az adatközpontok nagyobb szeletet vesznek ki. A kereslet felgyorsulását az exponenciális adatnövekedés és az XNUMXG alkalmazások okozzák.

Az adatközpontok az internet „agyai”. Feladatuk, hogy feldolgozzák, tárolják és kommunikálják a számtalan információs szolgáltatás mögött rejlő adatokat, amelyekre nap mint nap támaszkodunk, legyen szó streamelésről, e-mailekről, közösségi médiáról, telefonhívásokról vagy tudományos számítástechnikáról. Az adatközpontok különböző ICT-eszközöket használnak e szolgáltatások biztosítására, amelyek mindegyike elektromos árammal működik. A szerverek, az IKT kulcsfontosságú összetevői, számításokat és logikát biztosítanak az információkérésekre válaszul. A hálózati eszközök, köztük a vezetékes Ethernet és a vezeték nélküli bázisállomások összekapcsolják az adatközpontot az internettel és a végfelhasználókkal, lehetővé téve a bejövő és kimenő adatáramlást. Az ezen informatikai eszközök által felhasznált villamos energia végső soron hővé alakul, amit az adatközpontból elektromos árammal is működő hűtőberendezésekkel kell elvinni. Az energiahatékonyság javításának minden pontja jelentősen befolyásolja nemcsak a működési költségeket, hanem a szénlábnyomot is.

Mielőtt elérné a végkomponenseket, az összes teljesítményt előlapi egyenirányítókkal kell feldolgozni. Jelenleg ezen az egyenirányító szinten a szerver- és távközlési áramellátó rendszerek hatékonysága leginkább javul. A főbb gyártók egyenirányító hatásfoka 90-96%. A 98%-os egyenirányító hatásfokú megoldás bizonyítottan elérhető, de alkalmazását továbbra is korlátozza a széles sávszélességű eszközök és vezérlő IC-k elérhetősége és költsége. A hatékonyság mellett az egyenirányító teljesítménysűrűsége is kulcsfontosságú tervezési követelmény az adatközpontoknál. Az egyenirányító nagyobb teljesítménysűrűsége több helyet szabadítana fel a szerverkapacitás telepítéséhez.

Az egyenirányítók egy előszabályozó Power Factor Collection (PFC) fokozatból és egy leválasztott DC/DC átalakítóból állnak. A 98%-os egyenirányító hatásfok eléréséhez mind a PFC-nek, mind a DC/DC-nek 99%-os hatékonysági szinten kell működnie. A körülbelül 97.5%-os csúcshatékonyságú hagyományos PFC már nem alkalmas az ilyen konstrukciókra. A híd nélküli PFC-k az egyetlen lehetőség az új generációs egyenirányítók számára. Jelenleg két különböző híd nélküli PFC topológia található a termékekben, amint az alább látható.

A Double-Boost PFC lényegében két boost konverterből áll. Az egyik pozitív váltóáramú ciklusokkal működik, a másik pedig negatív váltóáramú ciklusokkal. A hagyományos PFC 2-ról 3-re csökkenti a félvezető eszközök számát az energiafeldolgozási útvonalakban, és így a hatékonyság javul. Ennek a topológiának az előnye az egyszerű vezérlés. A hagyományos PFC vezérlők kisebb áramköri módosításokkal használhatók. Hátránya, hogy két gyorsítótekercsre van szükség, ami növeli a BOM-költséget és javítja a teljesítménysűrűséget. Az egyfázisú CrM (kritikus módú) PFC-nek nagyon korlátozott (<500 W) teljesítménykezelési képessége van az induktor magas hullámossága és az EMI-szűrő kialakításának nehézségei miatt. Az 500 W feletti teljesítményű ZVS CrM PFC-k gyakran kétfázisú átlapolást használnak. A két fázis kapcsolási periódusának 180 fokkal történő eltolása révén az áramhullámok kiolthatják egymást, és a teljes áramingadozás elfogadható tartományra csökkenthető.

A SiC és a GaN kiforrott és költségcsökkentésével az egyenirányító tervezése fejlettebb és egyszerűbb topológiákat alkalmazhat a 96+%-os hatékonyság elérése és a magasabb kapcsolási frekvenciák elérése érdekében. A következő a CCM (Continuous Conduction Mode) totempólusú PFC, amely kiválóan alkalmas kW-os egyenirányítók tervezésére.

Az IVCT kifejlesztett egy 2.5 kW-os totempólusú PFC referenciatervet. Az alábbiakban a referencia tervezési fotó és a legfontosabb vizsgálati adatok találhatók. ( link a pályázati megjegyzéshez)

2.5 kW-os Totem-pólusú PFC referenciakialakítás

A DC/DC fokozatok esetében a félhíd és a teljes híd LLC topológiák egyre népszerűbbek. Két fő oka van annak, hogy az iparág a fáziseltolásos teljes híd topológiáról, amely a nagy teljesítményű tervezésben uralkodó topológia volt, az LLC topológiára váltson át. A teljes terhelési tartományú elsődleges ZVS és a széles terhelési tartományú másodlagos ZCS ennek a topológiának a fő érdeme. A másodlagos oldalon induktor nélkül, a 12 V-os vagy 48 V-os szerver/telekommunikációs kimenet lehetővé teszi a szinkron egyenirányító áramkör használatát, és jelentősen csökkenti a vezetési veszteséget. Az előnyök lehetővé teszik az LLC konverterek 99+%-os hatékonyságú kialakítását. Az LLC-átalakítók nagy kimenőáram-ingadozása miatt a nagyáramú kimeneti kialakításoknál gyakran alkalmazzák az interleaved LLC-struktúrát a kimeneti feszültség hullámzásának csökkentésére és a kimeneti szűrőkondenzátor önmelegedésének mérséklésére.