Aplicații

Până în 2018, cererea globală de electricitate era de aproximativ 20.000TWh. Industria Informației și Comunicațiilor (ICT) reprezenta 2000TWh sau 10% din electricitatea globală, două porțiuni principale fiind rețele (fără fir și cu fir) și centrele de date. Centrele de date consumează singure aproximativ 200TWh pe an. Prognoze citate larg sugerează că cererea totală de electricitate a ICT va accelera în anii 2020, iar centrele de date vor lua o parte mai mare. Această accelerare a cererii este determinată de creșterea exponențială a datelor și aplicațiile 5G.

Centralele de date sunt „cerulele” internetului. Rolul lor este de a procesa, stoca și comunica datele din spatele serviciilor de informare pe care le folosim în fiecare zi, fie că vorbim despre difuzare video, e-mail, mass-media socială, convorbiri telefonice sau calcul scientific. Centralele de date folosesc diferite dispozitive ICT pentru a oferi aceste servicii, toate fiind alimentate cu electricitate. Serverele, componente cheie ale ICT, oferă calcule și logică în răspuns la cereri de informații. Dispozitivele de rețea, inclusiv stațiile de bază Ethernet cu cablu și fără cablu, conectează centralele de date la internet și utilizatorii finali, permitând fluxurile de date intrante și externe. Electricitatea folosită de aceste dispozitive IT se transformă în cele din urmă în căldură, care trebuie eliminată din centrala de date prin echipamente de răcire care, de asemenea, rulează pe electricitate. Fiecare punct de îmbunătățire a eficienței energetice are un impact semnificativ nu doar asupra costurilor de funcționare, dar și asupra emisiilor de carbon.

Înainte de a ajunge la componente finale, toată energia trebuie să fie procesată de rectificatoare front-end. În prezent, eficiența sistemelor de alimentare pentru servere și telecomunicații este îmbunătățită în principal la nivelul rectificatorului. Eficiența rectificatorului furnizorilor principali se situează între 90% și 96%. S-a dovedit că o soluție cu o eficiență de rectificare de 98% poate fi atinsă, dar aplicarea acesteia este încă limitată de disponibilitatea și costul dispozitivelor cu bandă largă și a IC-urilor de control. Pe lângă eficiență, densitatea puterii rectificatorului reprezintă, de asemenea, un cerință cheie în proiectarea centrelor de date. O mai mare densitate a puterii rectificatorului ar elibera mai mult spațiu pentru instalarea capacității de servere.

Rectificatoarele constau dintr-o etapă de colectare a factorului de putere (PFC) cu pre-regulator și un convertitor izolat DC/DC. Pentru a atinge o eficiență de 98% a rectificatorului, atât PFC cât și DC/DC trebuie să funcționeze la un nivel de eficiență de 99%. PFC-ul tradițional, cu o eficiență maximă de aproximativ 97.5%, nu este mai potrivit pentru astfel de proiecte. PFC-urile fără pod devin singura opțiune pentru proiectarea noilor generații de rectificatoare. În prezent, două topologii diferite de PFC fără pod, așa cum se arată mai jos, sunt integrate în produse.

Double-Boost PFC constă esențial din două convertitori boost. Unul funcționează la ciclurile pozitive AC, iar celălalt la ciclurile negative AC. Acesta reduce numărul de dispozitive semiconductoare în căile de procesare a puterii la 2, comparativ cu cele 3 ale PFC-ului tradițional, și prin urmare se îmbunătățește eficiența. Avantajul acestei topologii este controlul simplu. Controlerele PFC tradiționale pot fi folosite cu unele modificări minore ale circuitului. Dezavantajul este că sunt necesare două inductive boost, ceea ce ar crește costul BOM și ar afecta îmbunătățirea densității de putere. Un PFC monofazic CrM (mod critic) are o capacitate foarte limitată de gestionare a puterii ( < 500W) din cauza oscilațiilor mari ale curentului din inductivitatea boost și a dificultății de proiectare a filtrului EMI. PFC-uri CrM ZVS cu puteri peste 500W utilizează adesea două faze intercalate. Prin offsetarea perioadei de comutare a celor două faze cu 180 de grade, oscilațiile de curent se pot anula reciproc și oscilațiile totale de curent pot fi reduse la un interval acceptabil.

Cu maturarea și reducerea costurilor pentru SiC și GaN, design-ul rectificatorului poate să adopte topologii mai avansate și mai simple pentru a atinge o eficiență de peste 96% și să opereze la frecvențe de comutare mai ridicate. Următorul este PFC (Factor de Putere Unitar) în configurație totem-pole în mod CCM (Mod Continuu de Conducere), care este foarte potrivit pentru design-ul rectificatorului în domeniul kWs.

IVCT a dezvoltat un design de referință PFC totem-pole de 2.5kW. Următoarele sunt fotografii design-ului de referință și datele cheie ale testelor. (legătură către Notă de Aplicație)

Design de Referință PFC Totem-Pole de 2.5kW

Pentru etapele DC/DC, topologiile LLC cu semipont și pont complet devin foarte populare. Există două principale motive care determină industria să se mute de la topologia pontului complet cu derivație de fază, care era o topologie dominantă în proiectarea cu putere ridicată, la topologia LLC. Gama de sarcini completă ZVS primară și gama largă de sarcini ZCS secundară reprezintă principala avantaj a acestei topologii. Fără inductor pe partea secundară, o tensiune de ieșire de 12V sau 48V pentru servere sau telecomunicații permite utilizarea unui circuit de rectificare sincronă și reducerea semnificativă a pierderilor de conduție. Aceste avantaje permit proiectării convertorilor LLC cu eficiență de peste 99%. Datorită oscilațiilor ridicate ale curentului de ieșire ale convertorilor LLC, în proiectările cu curent de ieșire ridicat, structura LLC intercalată este adesea folosită pentru a reduce oscilațiile tensiunii de ieșire și a atenua autoîncălzirea capacitorilor de filtru de ieșire.