Применения

К 2018 году мировой спрос на электроэнергию составлял около 20 000 ТВт·ч. Индустрия информационных и коммуникационных технологий (ИКТ) потребляла 2000 ТВт·ч, или 10% от мирового электропотребления, две основные части которого приходились на сети (беспроводные и проводные) и дата-центры. Только дата-центры потребляют около 200 ТВт·ч в год. Широко цитируемые прогнозы предполагают, что общее потребление электроэнергии в секторе ИКТ ускорится в 2020-х годах, причем доля дата-центров возрастет. Ускорение спроса обусловлено экспоненциальным ростом данных и внедрением технологий 5G.

Центры обработки данных являются «мозгом» интернета. Их роль заключается в обработке, хранении и передаче данных, лежащих в основе множества информационных сервисов, которыми мы ежедневно пользуемся, будь то потоковое видео, электронная почта, социальные сети, телефонные звонки или научные вычисления. Центры обработки данных используют различные устройства ИКТ для предоставления этих услуг, все они работают на электроэнергии. Серверы, ключевые компоненты ИКТ, обеспечивают вычисления и логику в ответ на запросы информации. Сетевые устройства, включая проводные Ethernet-соединения и беспроводные базовые станции, подключают центр обработки данных к интернету и конечным пользователям, обеспечивая входящие и исходящие потоки данных. Электроэнергия, используемая этими ИТ-устройствами, в конечном итоге преобразуется в тепло, которое необходимо удалять из центра обработки данных с помощью охлаждающего оборудования, также работающего на электроэнергии. Каждое улучшение эффективности использования энергии существенно влияет не только на операционные расходы, но и на углеродный след.

Прежде чем достигнуть конечных компонентов, вся энергия должна быть обработана передними преобразователями. В настоящее время эффективность систем питания серверов и телекоммуникаций в основном повышается на уровне этих преобразователей. КПД преобразователей ведущих производителей составляет 90% до 96%. Решение с КПД преобразователя 98% уже доказано возможным, но его применение всё ещё ограничено доступностью и стоимостью широкозонных устройств и микросхем управления. Помимо эффективности, мощность преобразователя на единицу объёма также является ключевым требованием при проектировании для центров обработки данных. Более высокая плотность мощности преобразователя освободит больше места для установки серверной емкости.

Прямоточные преобразователи состоят из предварительного регулятора с этапом коррекции коэффициента мощности (PFC) и изолированного преобразователя напряжения DC/DC. Для достижения эффективности преобразователя 98% как PFC, так и DC/DC должны работать с уровнем эффективности 99%. Традиционный PFC с пиковой эффективностью около 97,5% больше не подходит для таких конструкций. Безмостовые PFC становятся единственным вариантом для нового поколения дизайна преобразователей. На данный момент существует две различные топологии безмостовых PFC, которые используются в продуктах, как показано ниже.

Double-Boost PFC по сути состоит из двух повышающих преобразователей. Один работает на положительных полупериодах сетевого напряжения, а другой — на отрицательных. Это уменьшает количество полупроводниковых устройств в цепях обработки мощности с 3 до 2 по сравнению с традиционным PFC, что повышает эффективность. Преимущество данной топологии — простота управления. Традиционные контроллеры PFC могут быть использованы с незначительными изменениями схемы. Недостатком является необходимость использования двух индукторов повышения, что увеличивает стоимость компонентной базы и влияет на улучшение удельной мощности. Однофазный CrM (критический режим) PFC имеет очень ограниченную способность обработки мощности (менее 500 Вт) из-за высокой пульсации тока индуктора повышения и сложности проектирования фильтра ЭМС. ZVS CrM PFC мощностью более 500 Вт часто используют двухфазную интерлировку. Смещая периоды коммутации двух фаз на 180 градусов, пульсации тока могут компенсироваться, и общая пульсация тока может быть снижена до приемлемого уровня.

С развитием и снижением стоимости SiC и GaN, в проектировании выпрямителей можно использовать более продвинутые и простые топологии для достижения КПД 96+% и работы на более высоких частотах переключения. Ниже приведен пример CCM (Continuous Conduction Mode) тотем-полевого PFC, который отлично подходит для проектирования выпрямителей мощностью в кВт.

IVCT разработала эталонный проект тотем-полевого PFC мощностью 2,5 кВт. Ниже представлены фотография эталонного проекта и ключевые результаты тестирования. (ссылка на Прикладную заметку)

Эталонный проект тотем-полевого PFC мощностью 2,5 кВт

Для ступеней преобразования DC/DC становятся очень популярными топологии полумоста и полного моста LLC. Существует два основных reasons, по которым отрасль переходит от топологии фазосдвинутого полного моста, которая доминировала в проектировании высокой мощности, к топологии LLC. Полная ZVS на первичной стороне и широкий диапазон ZCS на вторичной стороне являются главным преимуществом этой топологии. При отсутствии индуктора на вторичной стороне выход напряжением 12В или 48В для серверов/телекоммуникаций позволяет использовать схему синхронного выпрямления и значительно снизить потери при проводимости. Эти преимущества позволяют достичь эффективности преобразователей LLC более 99%. Из-за высокой рябкости выходного тока в преобразователях LLC, для проектов с высокоточным выходом часто используется интерлейсированная структура LLC, чтобы уменьшить рябкость выходного напряжения и снизить самонагрев конденсаторов выходного фильтра.