Applicazioni

Nel 2018, la domanda globale di elettricità era di circa 20,000 TWh. L’industria delle tecnologie dell’informazione e della comunicazione (ICT) rappresentava 2000 TWh, ovvero il 10% dell’elettricità globale, di cui due parti principali erano reti (wireless e cablate) e data center. I soli data center consumano circa 200 TWh ogni anno. Le previsioni ampiamente citate suggeriscono che la domanda totale di elettricità delle ICT accelererà nel 2020 e che i data center prenderanno una fetta maggiore. L’accelerazione della domanda è guidata dalla crescita esponenziale dei dati e dalle applicazioni 5G.

I data center sono il “cervello” di Internet. Il loro ruolo è quello di elaborare, archiviare e comunicare i dati dietro la miriade di servizi di informazione a cui facciamo affidamento ogni giorno, che si tratti di streaming video, e-mail, social media, telefonate o elaborazione scientifica. I data center utilizzano diversi dispositivi ICT per fornire questi servizi, tutti alimentati da energia elettrica. I server, i componenti chiave dell’ICT, forniscono calcoli e logica in risposta alle richieste di informazioni. I dispositivi di rete, comprese le stazioni base Ethernet cablate e wireless, collegano il data center a Internet e agli utenti finali, consentendo flussi di dati in entrata e in uscita. L'elettricità utilizzata da questi dispositivi IT viene infine convertita in calore, che deve essere rimosso dal data center mediante apparecchiature di raffreddamento anch'esse alimentate da elettricità. Ogni punto di miglioramento dell’efficienza energetica ha un impatto significativo non solo sui costi operativi ma anche sull’impronta di carbonio.

Prima di raggiungere i componenti finali, tutta la potenza deve essere elaborata dai raddrizzatori frond-end. Attualmente, l'efficienza dei sistemi di alimentazione dei server e delle telecomunicazioni è per lo più migliorata a questo livello di raddrizzatore. L'efficienza del raddrizzatore dei fornitori tradizionali è compresa tra il 90% e il 96%. È stato dimostrato che la soluzione con un'efficienza del raddrizzatore pari al 98% è stata 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, anche la densità di potenza del raddrizzatore è un requisito di progettazione chiave per i data center. Una maggiore densità di potenza del raddrizzatore libererebbe più spazio per l'installazione della capacità del server.

I raddrizzatori sono costituiti da uno stadio di raccolta del fattore di potenza (PFC) pre-regolatore e da un convertitore CC/CC isolato. Per raggiungere un'efficienza del raddrizzatore del 98%, sia PFC che DC/DC devono funzionare a un livello di efficienza del 99%. Il PFC tradizionale con un'efficienza di picco di circa il 97.5% non è più adatto a tali progetti. I PFC senza ponte diventano l'unica opzione per la progettazione dei raddrizzatori di nuova generazione. Attualmente sono disponibili due diverse topologie di PFC senza ponte, come mostrato di seguito.

Il PFC Double-Boost è essenzialmente composto da due convertitori boost. Uno funziona con cicli CA positivi e l'altro funziona con cicli CA negativi. Riduce il numero di dispositivi a semiconduttore nei percorsi di elaborazione di potenza a 2 rispetto ai 3 PFC tradizionali e, di conseguenza, l'efficienza viene migliorata. Il vantaggio di questa topologia è il controllo semplice. I controller PFC tradizionali possono essere utilizzati con alcune piccole modifiche al circuito. Lo svantaggio è che sono necessari due induttori di boost, il che aumenterebbe il costo della distinta base e inciderebbe sul miglioramento della densità di potenza. Un PFC CrM (modalità critica) monofase ha una capacità di gestione della potenza molto limitata (< 500 W) a causa dell'elevata ondulazione della corrente dell'induttore di boost e della difficoltà di progettazione del filtro EMI. I PFC ZVS CrM con potenza superiore a 500 W spesso utilizzano l'interlacciamento a due fasi. Sfalsando il periodo di commutazione delle due fasi di 180 gradi, le ondulazioni di corrente possono annullarsi a vicenda e l'ondulazione di corrente totale può essere ridotta a un intervallo accettabile.

Con la riduzione dei costi e della maturità di SiC e GaN, la progettazione del raddrizzatore può impiegare topologie più avanzate e più semplici per raggiungere un'efficienza superiore al 96% e funzionare a frequenze di commutazione più elevate. Quello che segue è il PFC totem-pole CCM (modalità di conduzione continua), che è particolarmente adatto per la progettazione del raddrizzatore kWs.

IVCT ha sviluppato un progetto di riferimento PFC totem-pole da 2.5 kW. Di seguito sono riportate la foto del progetto di riferimento e i dati chiave del test. (link alla nota applicativa)

Progetto di riferimento PFC totem-pole da 2.5 kW

Per gli stadi DC/DC, le topologie LLC a mezzo ponte e a ponte intero stanno diventando molto popolari. Ci sono due ragioni principali per cui il settore passa dalla topologia a ponte intero sfasato, che era una topologia dominante nella progettazione ad alta potenza, alla topologia LLC. Il merito principale di questa topologia è lo ZVS primario con intervallo di carico completo e lo ZCS secondario con ampio intervallo di carico. Senza induttore sul lato secondario, un'uscita server/telecomunicazioni da 12 V o 48 V consente di utilizzare un circuito di rettifica sincrono e ridurre significativamente la perdita di conduzione. I vantaggi consentono la progettazione di un'efficienza superiore al 99% dei convertitori LLC. A causa dell'elevata ondulazione della corrente di uscita dei convertitori LLC, per i progetti con uscita ad alta corrente, la struttura LLC interlacciata viene spesso utilizzata per ridurre l'ondulazione della tensione di uscita e mitigare l'autoriscaldamento del condensatore del filtro di uscita.