יישומים

עד שנת 2018, הביקוש העולמי לחשמל היה כ-20,000 TWh. תעשיית טכנולוגיית המידע והתקשורת (ICT) היוותה 2000TWWh או 10% מהחשמל העולמי, שני חלקים עיקריים מהם היו רשתות (אלחוטיות וקוויות) ומרכזי נתונים. מרכזי נתונים בלבד צורכים בסביבות 200TWWh בכל שנה. תחזיות שצוטטו רבות מצביעות על כך שהביקוש הכולל לחשמל של ICT יואץ בשנות ה-2020, ושמרכזי נתונים יקחו נתח גדול יותר. האצת הביקוש מונעת על ידי גידול נתונים אקספוננציאלי ויישומי 5G.

מרכזי נתונים הם "המוח" של האינטרנט. תפקידם הוא לעבד, לאחסן ולתקשר את הנתונים מאחורי אינספור שירותי המידע עליהם אנו מסתמכים מדי יום, בין אם מדובר בסטרימינג של וידאו, דואר אלקטרוני, מדיה חברתית, שיחות טלפון או מחשוב מדעי. מרכזי נתונים משתמשים במכשירי ICT שונים כדי לספק שירותים אלה, שכולם מופעלים באמצעות חשמל. שרתים, מרכיבי ה-ICT המרכזיים, מספקים חישובים והיגיון בתגובה לבקשות מידע. התקני רשת, כולל Ethernet קווי ותחנות בסיס אלחוטיות, מחברים את מרכז הנתונים לאינטרנט ולמשתמשי קצה, ומאפשרים זרימות נתונים נכנסות ויוצאות. החשמל המשמש את מכשירי ה-IT הללו הופך בסופו של דבר לחום, אותו יש להסיר ממרכז הנתונים על ידי ציוד קירור הפועל גם על חשמל. כל נקודה של שיפור יעילות החשמל משפיעה באופן משמעותי לא רק ללא עלות תפעול אלא גם על טביעות הפחמן.

לפני שמגיעים לרכיבי קצה, כל הכוח צריך להיות מעובד על ידי מיישרי קצה. נכון לעכשיו, היעילות של מערכות החשמל של שרתים וטלקום משופרת בעיקר ברמת מיישר זו. יעילות המיישרים של ספקים מיינסטרים היא 90% עד 96%. הוכח שהפתרון של יעילות מיישר של 98% הושג, אך היישום שלו עדיין מוגבל על ידי הזמינות והעלות של התקני פס רחב ו-ICs ​​בקרה. מלבד יעילות, צפיפות ההספק של מיישר היא גם דרישת עיצוב מרכזית עבור מרכזי נתונים. צפיפות הספק גבוה יותר של מיישר תפנה יותר מקום להתקנת קיבולת השרת.

מיישרים מורכבים משלב טרום-רגולטור Power Factor Collection (PFC) וממיר DC/DC מבודד. כדי להשיג 98% יעילות מיישר, גם PFC וגם DC/DC צריכים לפעול ברמת יעילות של 99%. PFC מסורתי עם יעילות שיא של כ-97.5% אינו מתאים יותר לעיצובים כאלה. PFCs חסרי גשר הופכים לאופציה היחידה עבור עיצוב המיישרים מהדור החדש. נכון לעכשיו שתי טופולוגיות PFCs שונות ללא גשר, כפי שמוצג להלן, נמצאות במוצרים.

Double-Boost PFC מורכב בעצם מממיר שני בוסט. האחד פועל במחזורי AC חיוביים והשני פועל במחזורי AC שליליים. זה מפחית את מספר מכשירי המוליכים למחצה בנתיבי עיבוד הספק ל-2 מ-PFC מסורתיים 3, וככזה היעילות משתפרת. היתרון של טופולוגיה זו הוא שליטה פשוטה. ניתן להשתמש בבקרי PFC מסורתיים עם שינוי קטן במעגל. החיסרון הוא שיש צורך בשני משרני דחיפה, מה שיגדיל את עלות ה-BOM והשפעה על שיפור צפיפות ההספק. ל-PFC חד פאזי CrM (מצב קריטי) יש יכולת ניהול הספק מוגבלת מאוד (< 500W) עקב אדוות הזרם הגבוה של משרן הדחיפה והקושי בתכנון מסנן EMI. ZVS CrM PFCs עם הספק של מעל 500W משתמשים לרוב בשזירה בשני פאזות. על ידי קיזוז תקופת המיתוג של שני השלבים ב-180 מעלות, האדוות הנוכחיות יכולות לבטל זה את זה וניתן להפחית את האדוות הכוללת של הזרם לטווח מקובל.

עם הבשלה והפחתת העלויות של SiC ו-GaN, תכנון מיישרים יכול להשתמש בטופולוגיות מתקדמות ופשוטות יותר כדי להשיג יעילות של 96+% ולפעול בתדרי מיתוג גבוהים יותר. להלן CCM (Continuous Conduction Mode) PFC עם עמוד טוטם, המתאים היטב לתכנון מיישרים של kWs.

IVCT פיתחה עיצוב התייחסות PFC של 2.5 קילוואט PFC. להלן תמונת עיצוב הייחוס ונתוני הבדיקה העיקריים. (קישור להערת הבקשה)

עיצוב התייחסות ל-PFC בנפח 2.5 קילוואט טוטם

עבור שלבי DC/DC, טופולוגיות LLC של חצי גשר וגשר מלא הופכות לפופולריות מאוד. ישנן שתי סיבות עיקריות לבצע מעבר בתעשייה מטופולוגיית הגשר המלא המוחלפת בפאזה, שהייתה טופולוגיה דומיננטית בתכנון הספק גבוה, לטופולוגיה של LLC. ZVS ראשוני של טווח עומס מלא ו-ZCS משני בטווח עומס רחב הוא הכשרון העיקרי של טופולוגיה זו. ללא משרן בצד משני, פלט שרת/טלקום 12V או 48V מאפשר להשתמש במעגל תיקון סינכרוני ולצמצם את אובדן ההולכה באופן משמעותי. היתרונות מאפשרים עיצוב יעילות של 99+% ממירי LLC. בשל אדוות זרם הפלט הגבוה של ממירי LLC, עבור עיצובי פלט זרם גבוה, נעשה שימוש במבנה LLC שזור לעתים קרובות להפחתת אדוות מתח המוצא ולהפחתת חימום עצמי של קבלי מסנן פלט.