Aplikasi

Pada tahun 2018, permintaan listrik global mencapai sekitar 20.000TWh. Industri Teknologi Informasi dan Komunikasi (TIK) menyumbang 2000TWh atau 10% dari konsumsi listrik global, dengan dua bagian utama yaitu jaringan (nirkabel dan kabel) dan pusat data. Pusat data saja mengonsumsi sekitar 200TWh setiap tahun. Prakiraan yang sering dikutip menunjukkan bahwa permintaan total listrik TIK akan mempercepat pada tahun 2020-an, dan pusat data akan mengambil porsi yang lebih besar. Percepatan permintaan ini didorong oleh pertumbuhan data eksponensial dan aplikasi 5G.

Pusat data adalah 'otak' dari internet. Peran mereka adalah memproses, menyimpan, dan berkomunikasi dengan data di balik berbagai layanan informasi yang kita andalkan setiap hari, baik itu streaming video, email, media sosial, panggilan telepon, atau perhitungan ilmiah. Pusat data menggunakan perangkat ICT yang berbeda untuk menyediakan layanan ini, semuanya ditenagai oleh listrik. Server, komponen ICT utama, memberikan perhitungan dan logika sebagai tanggapan terhadap permintaan informasi. Perangkat jaringan, termasuk stasiun basis kabel Ethernet dan nirkabel, menghubungkan pusat data ke internet dan pengguna akhir, memungkinkan aliran data masuk dan keluar. Listrik yang digunakan oleh perangkat IT ini pada akhirnya dikonversi menjadi panas, yang harus dihilangkan dari pusat data oleh peralatan pendinginan yang juga berjalan pada listrik. Setiap titik peningkatan efisiensi daya berdampak signifikan tidak hanya pada biaya operasional tetapi juga pada jejak karbon.

Sebelum mencapai komponen akhir, semua daya perlu diproses oleh perangkat penukar (rectifier) di bagian depan. Saat ini, efisiensi sistem daya server dan telekomunikasi sebagian besar ditingkatkan pada tingkat penukar ini. Efisiensi penukar dari vendor utama berada di kisaran 90% hingga 96%. Solusi dengan efisiensi penukar 98% telah terbukti dapat dicapai, namun penerapannya masih dibatasi oleh ketersediaan dan biaya perangkat berlebar pita (wide bandgap devices) serta IC kontrol. Selain efisiensi, kepadatan daya penukar juga merupakan persyaratan desain utama untuk pusat data. Kepadatan daya penukar yang lebih tinggi akan membebaskan lebih banyak ruang untuk pemasangan kapasitas server.

Rektifier terdiri dari tahap Pengumpul Faktor Daya (PFC) pre-regulator dan konverter DC/DC yang terisolasi. Untuk mencapai efisiensi rektifier 98%, baik PFC maupun DC/DC harus beroperasi pada tingkat efisiensi 99%. PFC tradisional dengan efisiensi puncak sekitar 97,5% tidak lagi cocok untuk desain seperti ini. PFC tanpa jembatan menjadi satu-satunya opsi untuk desain rektifier generasi baru. Saat ini, dua topologi PFC tanpa jembatan yang berbeda, seperti yang ditunjukkan di bawah ini, sudah ada dalam produk.

Double-Boost PFC pada dasarnya terdiri dari dua konverter boost. Salah satunya bekerja pada siklus AC positif dan yang lainnya bekerja pada siklus AC negatif. Ini mengurangi jumlah perangkat semikonduktor dalam jalur pemrosesan daya menjadi 2 dari tradisional PFC yang sebelumnya 3, sehingga efisiensi ditingkatkan. Keuntungan dari topologi ini adalah kontrol yang sederhana. Pengontrol PFC tradisional dapat digunakan dengan beberapa modifikasi sirkuit kecil. Kekurangannya adalah membutuhkan dua induktor boost, yang akan meningkatkan biaya BOM dan memengaruhi peningkatan kepadatan daya. PFC fasa tunggal CrM (Critical Mode) memiliki kemampuan penanganan daya yang sangat terbatas (< 500W) karena arus ripples induktor boost yang tinggi dan kesulitan dalam desain filter EMI. PFC CrM ZVS dengan daya lebih dari 500W sering menggunakan dua fase pengaitan. Dengan menunda periode switching kedua fase tersebut sebesar 180 derajat, arus ripples dapat saling menghilangkan satu sama lain dan total arus ripple dapat dikurangi ke dalam rentang yang dapat diterima.

Dengan matangnya dan pengurangan biaya SiC dan GaN, desain rectifier dapat menggunakan topologi yang lebih canggih dan sederhana untuk mencapai efisiensi 96+% dan beroperasi pada frekuensi switching yang lebih tinggi. Berikut adalah CCM (Continuous Conduction Mode) totem-pole PFC, yang sangat cocok untuk desain rectifier kWs.

IVCT telah mengembangkan desain referensi totem-pole PFC 2.5kW. Berikut adalah foto desain referensi dan data uji kunci. (tautan ke Application Note)

Desain Referensi Totem-Pole PFC 2.5kW

Untuk tahap DC/DC, topologi half-bridge dan full-bridge LLC menjadi sangat populer. Ada dua alasan utama mengapa industri beralih dari topologi full bridge dengan phase-shifted, yang sebelumnya merupakan topologi dominan dalam desain daya tinggi, ke topologi LLC. Rentang beban penuh dengan ZVS primer dan rentang beban lebar dengan ZCS sekunder adalah keunggulan utama dari topologi ini. Tanpa induktor di sisi sekunder, output server / telekomunikasi 12V atau 48V memungkinkan penggunaan rangkaian synchronous rectification dan secara signifikan mengurangi kerugian konduksi. Keuntungan ini memungkinkan desain konverter LLC dengan efisiensi lebih dari 99%. Karena konverter LLC memiliki ripple arus keluaran yang tinggi, untuk desain output arus tinggi, struktur LLC bergantian sering digunakan untuk mengurangi ripple tegangan keluaran dan mengurangi pemanasan sendiri kapasitor filter keluaran.