Aplicações

Até 2018, a demanda global de eletricidade era de aproximadamente 20.000TWh. O setor de Tecnologia da Informação e Comunicação (TIC) respondia por 2000TWh ou 10% da eletricidade global, sendo que as duas principais partes eram redes (sem fio e com fio) e centros de dados. Somente os centros de dados consomem cerca de 200TWh por ano. Previsões amplamente citadas sugerem que a demanda total de eletricidade do setor TIC acelerará na década de 2020, e que os centros de dados terão uma fatia maior. A aceleração da demanda é impulsionada pelo crescimento exponencial dos dados e pelas aplicações 5G.

Os data centers são os 'cérebros' da internet. Seu papel é processar, armazenar e comunicar os dados por trás dos diversos serviços de informação nos quais confiamos todos os dias, seja para transmitir vídeos, enviar e-mails, usar redes sociais, fazer ligações telefônicas ou realizar computação científica. Os data centers utilizam diferentes dispositivos de TIC para fornecer esses serviços, todos eles alimentados por eletricidade. Os servidores, componentes-chave das TIC, fornecem cálculos e lógica em resposta a solicitações de informações. Dispositivos de rede, incluindo estações base com fio Ethernet e sem fio, conectam o data center à internet e aos usuários finais, permitindo fluxos de dados de entrada e saída. A eletricidade usada por esses dispositivos de TI é convertida em calor, que deve ser removido do data center por equipamentos de resfriamento que também funcionam com eletricidade. Cada ponto de melhoria na eficiência energética impacta significativamente não apenas no custo operacional, mas também nas pegadas de carbono.

Antes de alcançar os componentes finais, toda a energia precisa ser processada pelos retificadores de frente. Atualmente, a eficiência dos sistemas de alimentação de servidores e telecomunicações é melhorada principalmente neste nível de retificador. A eficiência do retificador dos principais fornecedores está entre 90% e 96%. Já foi comprovado que é possível alcançar uma solução de eficiência de 98%, mas sua aplicação ainda é limitada pela disponibilidade e custo de dispositivos de banda larga e ICs de controle. Além da eficiência, a densidade de potência do retificador também é um requisito de design fundamental para data centers. Uma maior densidade de potência do retificador liberaria mais espaço para instalação de capacidade de servidores.

Os retificadores consistem em um estágio de pré-regulador de Fator de Potência (PFC) e um conversor DC/DC isolado. Para alcançar uma eficiência de 98% no retificador, tanto o PFC quanto o DC/DC precisam operar em um nível de eficiência de 99%. O PFC tradicional, com cerca de 97,5% de eficiência máxima, não é mais adequado para tais designs. Os PFCs sem ponte tornam-se a única opção para o novo design de retificador. Atualmente, duas diferentes topologias de PFC sem ponte, como mostrado abaixo, estão presentes nos produtos.

O Double-Boost PFC consiste essencialmente em dois conversores boost. Um opera nos ciclos positivos AC e o outro opera nos ciclos negativos AC. Ele reduz o número de dispositivos semicondutores nos caminhos de processamento de energia para 2, em comparação com os 3 tradicionais do PFC convencional, e, portanto, a eficiência é melhorada. A vantagem desta topologia é um controle simples. Controladores PFC tradicionais podem ser usados com algumas modificações menores no circuito. O inconveniente é que são necessários dois indutores boost, o que aumentaria o custo do BOM e afetaria a melhoria da densidade de potência. Um PFC monofásico CrM (Modo Crítico) tem uma capacidade de tratamento de potência muito limitada (< 500W) devido à alta ripple de corrente do indutor boost e à dificuldade no design do filtro EMI. PFCs CrM ZVS com mais de 500W de potência frequentemente utilizam duas fases intercaladas. Ao deslocar os períodos de comutação das duas fases em 180 graus, as ripple de corrente podem se cancelar mutuamente e a ripple total de corrente pode ser reduzida para um intervalo aceitável.

Com o amadurecimento e redução de custo do SiC e GaN, o design de retificador pode empregar topologias mais avançadas e simples para alcançar uma eficiência de 96+% e operar em frequências de comutação mais altas. O seguinte é o PFC em configuração totem-pole no modo CCM (Continuous Conduction Mode), que é muito adequado para o design de retificadores de kWs.

A IVCT desenvolveu um design de referência de PFC em configuração totem-pole de 2,5kW. A seguir estão a foto do design de referência e os principais dados de teste. (link para Nota Técnica)

Design de Referência de PFC em Configuração Totem-Pole de 2,5kW

Para etapas DC/DC, as topologias de meio-ponte e ponte completa LLC estão se tornando muito populares. Existem duas razões principais para a indústria mudar da topologia de ponte completa com deslocamento de fase, que era a topologia dominante no design de alta potência, para a topologia LLC. A ZVS primária em toda a faixa de carga e a ZCS secundária em uma ampla faixa de carga são os principais méritos dessa topologia. Sem indutor no lado secundário, uma saída de servidor / telecomunicações de 12V ou 48V permite o uso de circuito de retificação síncrona e reduz significativamente a perda de condução. As vantagens permitem que conversores LLC alcancem designs com eficiência de 99% ou mais. Devido à alta ripple de corrente de saída dos conversores LLC, para designs de saída de alta corrente, frequentemente é usado um结构interleaved LLC para reduzir o ripple de tensão de saída e mitigar o auto-aquecimento do capacitor do filtro de saída.