Toepassingen Nederland

In 2018 bedroeg de mondiale vraag naar elektriciteit ongeveer 20,000 TWh. De informatie- en communicatietechnologie (ICT)-industrie was goed voor 2000 TWh of 10% van de mondiale elektriciteit, waarvan twee hoofdonderdelen netwerken (draadloos en bekabeld) en datacentra waren. Datacenters alleen al verbruiken jaarlijks ongeveer 200 TWh. Veel geciteerde prognoses suggereren dat de totale elektriciteitsvraag van ICT in de jaren 2020 zal toenemen, en dat datacenters een groter deel daarvan zullen innemen. De versnelling van de vraag wordt aangedreven door de exponentiële datagroei en 5G-toepassingen.

Datacenters zijn het ‘brein’ van het internet. Hun rol is het verwerken, opslaan en communiceren van de gegevens achter de talloze informatiediensten waar we dagelijks op vertrouwen, of het nu gaat om streaming video, e-mail, sociale media, telefoongesprekken of wetenschappelijk computergebruik. Datacenters maken gebruik van verschillende ICT-apparaten om deze diensten te leveren, die allemaal worden aangedreven door elektriciteit. Servers, de belangrijkste ICT-componenten, zorgen voor berekeningen en logica als reactie op informatieverzoeken. Netwerkapparaten, waaronder bekabeld Ethernet en draadloze basisstations, verbinden het datacenter met internet en eindgebruikers, waardoor inkomende en uitgaande datastromen mogelijk zijn. De elektriciteit die deze IT-apparaten verbruiken, wordt uiteindelijk omgezet in warmte, die door koelapparatuur die ook op elektriciteit werkt, uit het datacenter moet worden afgevoerd. Elk punt van verbetering van de energie-efficiëntie heeft niet alleen een aanzienlijke impact op de bedrijfskosten, maar ook op de CO2-voetafdruk.

Voordat de eindcomponenten worden bereikt, moet alle stroom worden verwerkt door gelijkrichters aan de voorzijde. Momenteel wordt de efficiëntie van server- en telecom-energiesystemen grotendeels verbeterd op dit gelijkrichterniveau. De gelijkrichterefficiëntie van reguliere leveranciers is 90% tot 96%. Het is bewezen dat een oplossing met een gelijkrichterefficiëntie van 98% kan worden bereikt, maar de toepassing ervan wordt nog steeds beperkt door de beschikbaarheid en kosten van apparaten met een brede bandafstand en besturings-IC's. Naast efficiëntie is de vermogensdichtheid van de gelijkrichter ook een belangrijke ontwerpvereiste voor datacenters. Een hogere vermogensdichtheid van de gelijkrichter zou meer ruimte vrijmaken voor de installatie van servercapaciteit.

Gelijkrichters bestaan ​​uit een Power Factor Collection (PFC)-fase met voorregelaar en een geïsoleerde DC/DC-omzetter. Om een ​​gelijkrichterefficiëntie van 98% te bereiken, moeten zowel PFC als DC/DC op een efficiëntieniveau van 99% werken. Traditionele PFC met een piekefficiëntie van ongeveer 97.5% is niet meer geschikt voor dergelijke ontwerpen. Brugloze PFC's worden de enige optie voor het gelijkrichterontwerp van de nieuwe generatie. Momenteel zijn er twee verschillende brugloze PFC-topologieën, zoals hieronder weergegeven, in producten.

Double-Boost PFC bestaat in wezen uit twee boost-converters. De ene werkt bij positieve AC-cycli en de andere werkt bij negatieve AC-cycli. Het reduceert het aantal halfgeleiderapparaten in de stroomverwerkingspaden van 2 naar 3 bij traditionele PFC's, en als zodanig wordt de efficiëntie verbeterd. Het voordeel van deze topologie is een eenvoudige bediening. Traditionele PFC-controllers kunnen worden gebruikt met enkele kleine aanpassingen aan het circuit. Het nadeel is dat er twee boost-inductoren nodig zijn, wat de stuklijstkosten zou verhogen en de verbetering van de vermogensdichtheid zou beïnvloeden. Een enkelfasige CrM (Critical Mode) PFC heeft een zeer beperkt (< 500 W) vermogen voor vermogensverwerking vanwege de hoge boost-inductorstroomrimpel en de moeilijkheid van het EMI-filterontwerp. ZVS CrM PFC's met een vermogen van meer dan 500 W maken vaak gebruik van twee fasen-interleaving. Door de schakelperiode van de twee fasen met 180 graden te verschuiven, kunnen de stroomrimpels elkaar opheffen en kan de totale stroomrimpel tot een acceptabel bereik worden teruggebracht.

Met de volwassenheid en kostenreductie van SiC en GaN kan het gelijkrichterontwerp geavanceerdere en eenvoudigere topologieën gebruiken om een ​​efficiëntie van 96+% te bereiken en op hogere schakelfrequenties te werken. Het volgende is de CCM-totempaal-PFC (Continuous Conduction Mode), die zeer geschikt is voor het gelijkrichterontwerp van kWs.

IVCT heeft een 2.5 kW totempaal PFC-referentieontwerp ontwikkeld. Hieronder volgen de referentieontwerpfoto en de belangrijkste testgegevens. (link naar toepassingsnotitie)

2.5 kW totempool PFC-referentieontwerp

Voor DC/DC-trappen worden LLC-topologieën met een halve brug en een volledige brug erg populair. Er zijn twee belangrijke redenen om de industrie te laten overstappen van de faseverschoven volledige brugtopologie, die een dominante topologie was bij ontwerp met hoog vermogen, naar de LLC-topologie. Het volledige belastingsbereik primaire ZVS en het brede belastingsbereik secundaire ZCS zijn de belangrijkste verdiensten van deze topologie. Omdat er geen inductor aan de secundaire zijde is, maakt een server-/telecomuitgang van 12 V of 48 V het mogelijk om een ​​synchroon gelijkrichtcircuit te gebruiken en het geleidingsverlies aanzienlijk te verminderen. De voordelen maken het efficiëntieontwerp van LLC-converters van 99+% mogelijk. Vanwege de hoge uitgangsstroomrimpeling van LLC-converters, wordt voor ontwerpen met hoge stroomuitgang vaak een interleaved LLC-structuur gebruikt om de rimpel van de uitgangsspanning te verminderen en de zelfopwarming van de uitgangsfiltercondensator te verminderen.