アプリケーション

2018 年までに、世界の電力需要は約 20,000TWh になりました。情報通信技術 (ICT) 業界は 2000TWh、つまり世界の電力の 10% を占め、その 200 つの主要な部分はネットワーク (無線および有線) とデータ センターです。データ センターだけで毎年約 2020TWh を消費します。広く引用されている予測では、ICT の総電力需要は 5 年代に加速し、データ センターがより大きな割合を占めるとされています。需要の加速は、データの急激な増加と XNUMXG アプリケーションによって推進されています。

データ センターはインターネットの「頭脳」です。その役割は、ストリーミング ビデオ、電子メール、ソーシャル メディア、電話、科学計算など、私たちが毎日頼りにしている無数の情報サービスの背後にあるデータを処理、保存、通信することです。データ センターはさまざまな ICT デバイスを使用してこれらのサービスを提供しますが、それらはすべて電気で稼働しています。主要な ICT コンポーネントであるサーバーは、情報要求に応じて計算とロジックを提供します。有線イーサネットや無線ベース ステーションなどのネットワーク デバイスは、データ センターをインターネットやエンド ユーザーに接続し、データの送受信を可能にします。これらの IT デバイスが使用する電力は最終的に熱に変換されるため、電力で稼働する冷却装置によってデータ センターから除去する必要があります。電力効率の改善は、運用コストがかからないだけでなく、二酸化炭素排出量にも大きく影響します。

最終コンポーネントに到達する前に、すべての電力はフロントエンド整流器で処理される必要があります。現在、サーバーおよび通信電力システムの効率は、この整流器レベルで主に改善されています。主流ベンダーの整流器効率は 90% ～ 96% です。98% の整流器効率ソリューションが達成できることが証明されていますが、その適用は、ワイドバンドギャップデバイスと制御 IC の可用性とコストによって依然として制限されています。効率に加えて、整流器の電力密度もデータセンターの重要な設計要件です。整流器の電力密度が高いほど、サーバー容量の設置に多くのスペースが解放されます。

整流器は、プレレギュレータの力率補正 (PFC) ステージと絶縁型 DC/DC コンバータで構成されています。98% の整流器効率を達成するには、PFC と DC/DC の両方が 99% の効率レベルで動作する必要があります。ピーク効率が約 97.5% の従来の PFC は、もはやこのような設計には適していません。ブリッジレス PFC は、新世代の整流器設計の唯一の選択肢になります。現在、以下に示すように、XNUMX つの異なるブリッジレス PFC トポロジが製品に含まれています。

ダブルブースト PFC は、基本的に 2 つのブースト コンバータで構成されます。3 つは正の AC サイクルで動作し、もう 500 つは負の AC サイクルで動作します。電力処理パスの半導体デバイスの数が従来の PFC の 500 個から 180 個に削減されるため、効率が向上します。このトポロジの利点は、制御が簡単なことです。従来の PFC コントローラは、回路を少し変更するだけで使用できます。欠点は、XNUMX つのブースト インダクタが必要なため、BOM コストが増加し、電力密度の向上に影響することです。単相 CrM (クリティカル モード) PFC は、ブースト インダクタの電流リップルが高く、EMI フィルタの設計が難しいため、電力処理能力が非常に限られています (< XNUMXW)。XNUMXW を超える電力の ZVS CrM PFC では、XNUMX つのフェーズ インターリーブがよく使用されます。XNUMX つのフェーズのスイッチング周期を XNUMX 度オフセットすることで、電流リップルが互いに打ち消し合い、合計電流リップルを許容範囲まで減らすことができます。

SiC と GaN が成熟し、コストが削減されたことで、整流器の設計では、より高度でシンプルなトポロジを採用して、96% 以上の効率を達成し、より高いスイッチング周波数で動作できるようになりました。以下は、kW の整流器設計に適した CCM (連続導通モード) トーテムポール PFC です。

IVCT は 2.5kW トーテムポール PFC リファレンス デザインを開発しました。以下はリファレンス デザインの写真と主要なテスト データです。(アプリケーション ノートへのリンク)

2.5kW トーテムポール PFC リファレンス デザイン

DC/DC ステージでは、ハーフブリッジおよびフルブリッジ LLC トポロジが非常に人気になりつつあります。高出力設計で主流であった位相シフト フルブリッジ トポロジから LLC トポロジに業界が移行した主な理由は 12 つあります。フル負荷範囲のプライマリ ZVS と広い負荷範囲のセカンダリ ZCS が、このトポロジの主なメリットです。セカンダリ側にインダクタがないため、48V または 99V のサーバー/テレコム出力では同期整流回路を使用でき、導通損失を大幅に削減できます。これらの利点により、LLC コンバータの XNUMX% 以上の効率設計が可能になります。LLC コンバータの出力電流リップルが高いため、高電流出力設計では、出力電圧リップルを低減し、出力フィルタ コンデンサの自己発熱を緩和するために、インターリーブ LLC 構造がよく使用されます。