Aplikácie

Do roku 2018 sa globálna požiadavka na elektrinu pohybovala okolo 20 000TWh. Odbor Informačných a komunikačných technológií (ICT) zastupoval 2000TWh alebo 10 % globálnej spotreby elektriny, kde dve hlavné časti boli siete (bezdrôtové a drôtové) a dátové centrá. Samotné dátové centrá spotrebujú každý rok asi 200TWh. Často citované prognózy naznačujú, že celková požiadavka na elektrinu v ICT sa zrýchli v rokoch 2020, pričom dátové centrá získa väčšiu časť. Zrýchlenie požiadavky je podporované exponenciálnym rastom údajov a aplikáciami 5G.

Dátové centrály sú „mozgami“ internetu. Ich úlohou je spracovávanie, ukladanie a komunikácia dát za informačných služieb, ktorými používame každý deň, či už ide o streamovanie videí, e-mail, sociálnych médií, telefónne hovory alebo vedecké výpočty. Dátové centrály používajú rôzne ICT zariadenia na poskytovanie týchto služieb, všetky z nich sú napájané elektrinou. Servery, kľúčové ICT komponenty, poskytujú výpočty a logiku v odpovedi na požiadavky na informácie. Sietové zariadenia, vrátane drôtových Ethernetových a bezdrôtových bazových stánkov, pripájajú dátové centrum k internetu a koncovým používateľom, čo umožňuje prichádzajúce a odchádzajúce toky dát. Elektrina použitá týmito IT zariadeniami sa nakoniec prevádza na teplo, ktoré musí byť odstránené chladicím vybavením, ktoré tiež beží na elektrine. Každý bod zlepšenia energetického účinnosti má významný dopad nie len na operációsne náklady, ale aj na uhlíkové stopy.

Pred dosiahnutím koncových komponentov musí byť všetka energia spracovaná front-end prevodníkmi. Momentálne je účinnosť systémov elektrickej energie pre servery a telekomunikácie hlavne zlepšovaná na úrovni týchto prevodníkov. Účinnosť prevodníkov hlavných dodávateľov sa pohybuje od 90% po 96%. Riešenie s účinnosťou prevodníka 98% bolo dokázané, avšak jeho aplikácia je stále obmedzená dostupnosťou a cenou širokopozičných zariadení a riadiacich IC. Okrem účinnosti je aj mocnostná hustota prevodníka dôležitým návrhovým požiadavkou pre dátové centrá. Vyššia mocnostná hustota prevodníka uvoľní viac miesta na inštaláciu serverovej kapacity.

Pravíky sa skladajú z predregulátora s úradnosťou na zbieranie faktora mocnosti (PFC) a izolovaného prevodníka DC/DC. Pre dosiahnutie účinnosti pravíka vo výške 98% musia byť oboje, PFC aj DC/DC, funkčne na úrovni 99% účinnosti. Tradičný PFC s približnou maximálnou účinnosťou 97,5% už nie je vhodný pre takéto dizajny. Bezmostové PFC stanú jedinou možnosťou pre dizajn nového generátorského pravíka. Momentálne sú v produktoch použité dve rôzne topológie bezmostových PFC, ako je ukázané nižšie.

Double-Boost PFC sa zásadne skladá z dvoch boost konverzorov. Jeden pracuje počas kladných AC cyklov a druhý počas záporných AC cyklov. Sníži sa počet polovodičových zariadení v cestách spracovania energie na 2 zamiesto tradičných 3 pri PFC, čo zvyšuje efektivitosť. Výhodou tejto topológie je jednoduchá kontrola. Tradičné PFC riadiace obvody môžu byť použité s niektorými menšími úpravami obvodu. Nevýhodou je potreba dvoch boost induktorov, čo zvýši náklady BOM a ovlivní zlepšenie hustoty výkonu. Jednofázový CrM (Critical Mode) PFC má veľmi obmedzenú schopnosť spracovávať výkon ( < 500W) kvôli vysokému kolísaniu prúdu boost induktora a ťažkosti dizajnu filtra EMI. ZVS CrM PFC s viac ako 500W výkonom často používajú dve fázy prepojené. Odstránením rozdielu medzi dvomi fázami o 180 stupňov môžu navzájom vyrušovať kolísania prúdu a celkové kolísanie prúdu môže byť znížené do prijateľného rozsahu.

S dospievajúcim zrelým vývojom a znížením nákladov na SiC a GaN môže byt výkonový dizajn pravidiel použiť viac pokročilé a jednoduchšie topológie na dosiahnutie účinnosti vyššie 96% a pracovať na vyšších frekvenčných prechodoch. Následujúci je CCM (Continuous Conduction Mode) totem-pole PFC, ktorý je veľmi vhodný pre dizajn pravidiel v rozsahu kilowattov.

IVCT vyvinulo referenčný dizajn 2.5kW totem-pole PFC. Následujúce sú fotky referenčného dizajnu a kľúčové testovacie dáta. (odkaz na aplikovanú poznámku)

Referenčný dizajn 2.5kW Totem-Pole PFC

Pre etapy DC/DC sa stávajú veľmi populárne polmostové a kompletné mostové LLC topológie. Existujú dva hlavné dôvody, prečo sa priemysel posunul od fázovo posunutej kompletnej mostovej topológie, ktorá bola dominantnou topológiou v dizajne s vysokou mocou, na LLC topológiu. Plné ZVS na primárnej strane a široký rozsah ZCS na sekundárnej strane je hlavnou výhodou tejto topológie. Bez induktora na sekundárnej strane môže výstup prebežiaci 12V alebo 48V serverov / telekomunikácií používať synchronizovaný obvod na rektifikáciu a významne znížiť prevodné straty. Tieto výhody umožňujú dizajn LLC prevodníkov s účinnosťou viac ako 99%. V dôsledku vysokého výstupného prúdového pulsačného napätia sa pre dizajny s vysokým výstupným prúdom často používa prepojená LLC štruktúra na zníženie výstupného napäťového pulsačného napätia a zmierňovanie samotopenia kondenzátora výstupného filtra.