Zastosowania

Do 2018 roku światowe zapotrzebowanie na energię elektryczną wyniosło około 20,000 2000 TWh. Przemysł technologii informacyjno-komunikacyjnych (ICT) wytwarzał 10 TWh, czyli 200% światowej energii elektrycznej, z czego dwie główne części to sieci (bezprzewodowe i przewodowe) oraz centra danych. Same centra danych zużywają około 2020 TWh rocznie. Szeroko cytowane prognozy sugerują, że całkowite zapotrzebowanie na energię elektryczną w sektorze ICT przyspieszy w latach 5. XXI wieku, a centra danych będą zajmowały większą część tego zapotrzebowania. Przyspieszenie popytu wynika z wykładniczego wzrostu danych i zastosowań XNUMXG.

Centra danych to „mózgi” Internetu. Ich rolą jest przetwarzanie, przechowywanie i przekazywanie danych stanowiących podstawę niezliczonych usług informacyjnych, z których korzystamy każdego dnia, niezależnie od tego, czy chodzi o strumieniową transmisję wideo, pocztę e-mail, media społecznościowe, rozmowy telefoniczne czy obliczenia naukowe. Centra danych wykorzystują do świadczenia tych usług różne urządzenia ICT, a wszystkie są zasilane energią elektryczną. Serwery, kluczowe komponenty ICT, zapewniają obliczenia i logikę w odpowiedzi na żądania informacji. Urządzenia sieciowe, w tym przewodowe stacje bazowe Ethernet i bezprzewodowe stacje bazowe, łączą centrum danych z Internetem i użytkownikami końcowymi, umożliwiając przepływ danych przychodzących i wychodzących. Energia elektryczna zużywana przez te urządzenia IT jest ostatecznie przekształcana w ciepło, które musi zostać usunięte z centrum danych przez urządzenia chłodzące, które również działają na energię elektryczną. Każdy punkt poprawy efektywności energetycznej znacząco wpływa nie tylko na brak kosztów operacyjnych, ale także na ślad węglowy.

Przed dotarciem do komponentów końcowych cała moc musi zostać przetworzona przez prostowniki czołowe. Obecnie sprawność systemów zasilania serwerów i telekomunikacji jest w największym stopniu poprawiana na poziomie prostownika. Sprawność prostownika u głównych dostawców wynosi od 90% do 96%. Udowodniono, że osiągnięto rozwiązanie o sprawności prostownika na poziomie 98%, ale jego zastosowanie jest nadal ograniczone dostępnością i kosztem urządzeń o szerokim paśmie wzbronionym i układów scalonych sterujących. Oprócz wydajności, gęstość mocy prostownika jest również kluczowym wymaganiem projektowym dla centrów danych. Wyższa gęstość mocy prostownika zwolniłaby więcej miejsca na instalację serwera.

Prostowniki składają się ze stopnia gromadzenia współczynnika mocy (PFC) przed regulatorem i izolowanej przetwornicy DC/DC. Aby osiągnąć sprawność prostownika na poziomie 98%, zarówno PFC, jak i DC/DC muszą pracować na poziomie sprawności 99%. Tradycyjny PFC o wydajności szczytowej około 97.5% nie nadaje się już do takich konstrukcji. Bezmostkowe PFC stają się jedyną opcją w konstrukcji prostowników nowej generacji. Obecnie w produktach znajdują się dwie różne bezmostkowe topologie PFC, jak pokazano poniżej.

Double-Boost PFC zasadniczo składa się z dwóch konwerterów boost. Jeden działa przy dodatnich cyklach prądu przemiennego, a drugi przy ujemnych cyklach prądu przemiennego. Zmniejsza liczbę urządzeń półprzewodnikowych w ścieżkach przetwarzania mocy do 2 w porównaniu z 3 w tradycyjnych układach PFC, poprawiając w ten sposób wydajność. Zaletą tej topologii jest proste sterowanie. Tradycyjne sterowniki PFC mogą być używane z niewielkimi modyfikacjami obwodu. Wadą jest to, że potrzebne są dwie cewki wzmacniające, co zwiększa koszty BOM i poprawia gęstość mocy. Jednofazowy CrM (tryb krytyczny) PFC ma bardzo ograniczoną (< 500 W) zdolność przenoszenia mocy ze względu na wysokie tętnienie prądu cewki wzmacniającej i trudność w projektowaniu filtra EMI. Układy PFC ZVS CrM o mocy powyżej 500 W często wykorzystują przeplatanie dwóch faz. Poprzez przesunięcie okresu przełączania dwóch faz o 180 stopni, tętnienia prądu mogą się wzajemnie znosić, a całkowite tętnienie prądu można zmniejszyć do akceptowalnego zakresu.

Dzięki dojrzałości i redukcji kosztów SiC i GaN, w konstrukcji prostownika można zastosować bardziej zaawansowane i prostsze topologie, aby osiągnąć wydajność na poziomie ponad 96% i pracować przy wyższych częstotliwościach przełączania. Poniżej znajduje się CCM (tryb ciągłego przewodzenia) totem-biegunowy PFC, który doskonale nadaje się do konstrukcji prostownika kW.

IVCT opracowało projekt referencyjny PFC na słupie totemowym o mocy 2.5 kW. Poniżej znajduje się zdjęcie projektu referencyjnego i kluczowe dane testowe. (link do notatki aplikacyjnej)

Projekt referencyjny PFC na słupie totemowym o mocy 2.5 kW

W przypadku stopni DC/DC bardzo popularne stają się topologie LLC z półmostkiem i pełnym mostkiem. Istnieją dwa główne powody, dla których branża powinna przejść od topologii pełnego mostka z przesunięciem fazowym, która była dominującą topologią w projektach dużej mocy, do topologii LLC. Główną zaletą tej topologii jest pełny zakres obciążenia pierwotnego ZVS i szeroki zakres obciążenia wtórnego ZCS. Bez cewki indukcyjnej po stronie wtórnej, wyjście serwerowe/telekomunikacyjne 12 V lub 48 V umożliwia wykorzystanie synchronicznego obwodu prostowniczego i znaczne zmniejszenie strat przewodzenia. Zalety umożliwiają projektowanie konwerterów LLC o wydajności ponad 99%. Ze względu na wysokie tętnienia prądu wyjściowego przetwornic LLC, w przypadku projektów o wysokim prądzie wyjściowym często stosuje się przeplataną strukturę LLC w celu zmniejszenia tętnienia napięcia wyjściowego i złagodzenia samonagrzewania się kondensatora filtra wyjściowego.