Applicazioni

Entro il 2018, la domanda globale di elettricità era di circa 20.000 TWh. L'industria delle Tecnologie dell'Informazione e della Comunicazione (ICT) ne rappresentava 2000 TWh o il 10% dell'elettricità globale, di cui le due principali porzioni erano reti (wireless e fisse) e centri dati. I soli centri dati consumano circa 200 TWh all'anno. Le previsioni ampiamente citate suggeriscono che la domanda totale di elettricità dell'ICT accelererà negli anni '20, e che i centri dati avranno una fetta più grande. L'accelerazione della domanda è guidata dalla crescita esponenziale dei dati e dalle applicazioni 5G.

I data center sono i 'cervelli' dell'internet. Il loro ruolo è quello di elaborare, archiviare e comunicare i dati che stanno dietro ai numerosi servizi informativi su cui contiamo ogni giorno, sia essi streaming video, email, social media, telefonate o calcolo scientifico. I data center utilizzano diversi dispositivi ICT per fornire questi servizi, tutti alimentati elettricamente. I server, componenti chiave ICT, forniscono calcoli e logica in risposta alle richieste di informazioni. I dispositivi di rete, inclusi switch Ethernet con fili e stazioni base wireless, connettono il data center all'internet e agli utenti finali, consentendo il flusso di dati in entrata e uscita. L'elettricità utilizzata da questi dispositivi IT viene infine convertita in calore, che deve essere rimosso dal data center attraverso attrezzature di raffreddamento che funzionano anch'esse a energia elettrica. Ogni punto di miglioramento nell'efficienza energetica ha un impatto significativo non solo sui costi operativi, ma anche sull'impronta di carbonio.

Prima di raggiungere i componenti finali, tutta l'energia deve essere elaborata dai rettificatori a fronte. Attualmente, l'efficienza dei sistemi di alimentazione per server e telecomunicazioni è migliorata principalmente a livello di rettificatore. L'efficienza del rettificatore dei principali fornitori è compresa tra il 90% e il 96%. È stato dimostrato che una soluzione con un'efficienza di rettifica dell'98% può essere raggiunta, ma la sua applicazione è ancora limitata dalla disponibilità e dal costo dei dispositivi a banda larga e dei circuiti integrati di controllo. Oltre all'efficienza, la densità di potenza del rettificatore è anche un requisito chiave nella progettazione dei centri dati. Una maggiore densità di potenza del rettificatore libererà più spazio per l'installazione della capacità dei server.

I rettificatori sono costituiti da una sezione di pre-regolazione con raccolta del fattore di potenza (PFC) e da un convertitore DC/DC isolato. Per raggiungere un'efficienza del rettificatore del 98%, sia il PFC che il DC/DC devono funzionare a un livello di efficienza del 99%. Il PFC tradizionale, con un'efficienza picco di circa il 97,5%, non è più adatto per tali progettazioni. I PFC senza ponte diventano l'unica opzione per il nuovo progetto di rettificatore. Attualmente, due diverse topologie di PFC senza ponte, come mostrato di seguito, sono presenti nei prodotti.

Double-Boost PFC è essenzialmente composto da due convertitori boost. Uno opera durante i cicli AC positivi e l'altro durante i cicli AC negativi. Riduce il numero di dispositivi semiconduttori nei percorsi di elaborazione dell'energia a 2, rispetto ai 3 tradizionali del PFC tradizionale, e di conseguenza l'efficienza viene migliorata. Il vantaggio di questa topologia è un controllo semplice. I controller PFC tradizionali possono essere utilizzati con alcune modifiche minori al circuito. Lo svantaggio è che sono necessari due induttori boost, il che aumenterebbe il costo del BOM e influenzerebbe l'ammodernamento della densità di potenza. Un PFC monofase CrM (Modalità Critica) ha una capacità di gestione della potenza molto limitata ( < 500W) a causa dell'alta corrente d'incertezza dell'induttore boost e della difficoltà di progettazione del filtro EMI. I PFC CrM ZVS con potenza superiore a 500W utilizzano spesso due fasi interleave. Spostando i periodi di commutazione delle due fasi di 180 gradi, le incertezze di corrente si annullano a vicenda e la corrente d'incertezza totale può essere ridotta ad un intervallo accettabile.

Con il maturamento e la riduzione dei costi del SiC e del GaN, la progettazione di rettificatori può utilizzare topologie più avanzate e semplici per raggiungere un'efficienza superiore al 96% e operare a frequenze di commutazione più elevate. Di seguito è riportato il PFC a colonna (CCM - Continuous Conduction Mode), che si adatta molto bene alla progettazione di rettificatori da kWs.

IVCT ha sviluppato un progetto di riferimento PFC a colonna da 2,5 kW. Di seguito sono riportate l'immagine del progetto di riferimento e i dati chiave dei test. (link alla nota applicativa)

progetto di riferimento PFC a colonna da 2,5 kW

Per le fasi DC/DC, le topologie LLC a mezzo-ponte e ponte completo stanno diventando molto popolari. Ci sono due motivi principali per cui l'industria sta passando dalla topologia a ponte completo con spostamento di fase, che era dominante nei progetti ad alta potenza, alla topologia LLC. Il ZVS primario su tutta la gamma di carico e il ZCS secondario su una vasta gamma di carico è il principale merito di questa topologia. Senza induttore sul lato secondario, un output di 12V o 48V per server o telecomunicazioni consente l'utilizzo di un circuito di rettificazione sincrona e riduce significativamente la perdita di conduzione. I vantaggi permettono ai convertitori LLC di raggiungere un'efficienza superiore al 99%. A causa del forte ripple corrente in uscita dei convertitori LLC, per i progetti con uscite ad alta corrente, viene spesso utilizzata una struttura LLC interdigitata per ridurre il ripple di tensione in uscita e mitigare l'autoriscaldamento del condensatore del filtro in uscita.