Примене

Do 2018. godine, globalna potrošnja električne energije iznosila je oko 20.000TWh. Informaciono-komunikaciona tehnologija (IKT) industrija je odgovarala za 2000TWh ili 10% globalne potrošnje električne energije, a dva glavna dela bili su mreže (bezžične i žične) i podaci centri. Sami centri za obradu podataka potroše oko 200TWh svake godine. Široko citirana prognoza sugeruje da će ukupna potrošnja električne energije u IKT-u ubrzati u 2020-ima, a da će centri za obradu podataka imati veći deo. Ubrazanje potrošnje uzrokovano je eksponencijalnim rastom podataka i primenama 5G.

Centri podataka su „majevi“ interneta. Njihova uloga je da procesiraju, čuvaju i komuniciraju podatke iza bezbrojnih informacionih usluga na koje se svakodnevno oslanjamo, bilo da je riječ o streamovanju videa, e-pošti, društvenim mrežama, telefonskim pozivima ili znanstvenom računanju. Centri podataka koriste različite ICT uređaje za obezbeđivanje ovih usluga, a svi oni se napajaju strujom. Serveri, ključni ICT sastojci, pružaju izračune i logiku kao odgovor na zahteve za informacijama. Mrežni uređaji, uključujući vezane Ethernet i bežične bazne stanice, povezuju centar podataka sa internetom i krajnjim korisnicima, omogućavajući dolazne i odlazne tokove podataka. Struja koju koriste ovi IT uređaji na kraju se pretvara u toplinu, koja mora biti uklonjena iz centra podataka hlađenjem opreme koja takođe radi na struji. Svaki stepen poboljšanja u efikasnosti snage utiče značajno ne samo na operativne troškove, već i na ugljeni otisak.

Pre nego što se dostigne krajnji elementi, sva energija mora biti obrađena preko pravougaonih prijemnika na početku lanca. Trenutno, efikasnost energetske opreme za servere i telekomunikacije se uglavnom poboljšava na nivou ovih pravougaonih prijemnika. Efikasnost pravougaonih prijemnika glavnih proizvođača je između 90% i 96%. Rešenje sa efikasnošću pravougaonog prijemnika od 98% je dokazano da je dostići moguće, ali njegova primena je još uvijek ograničena raspoloživostju i cenom širokog spektra uređaja i kontrolnih IC-eva. Pored efikasnosti, snaga pravougaonog prijemnika je takođe ključni dizajnerski zahtev za centrale podataka. Veća snaga pravougaonog prijemnika oslobađa više prostora za instalaciju kapaciteta servera.

Pravilivači se sastoje od pre-regulatora sa etapom zbiranja faktora snage (PFC) i izolovanog DC/DC konvertera. Da bi se postigla učinkovitost pravilivača od 98%, i PFC i DC/DC moraju da rade na nivou učinkovitosti od 99%. Trandicioni PFC sa vrhunskom učinkovitošću oko 97,5% više nije prikladan za takve dizajne. Mostački PFC-ovi bez mosta postaju jedina opcija za dizajn novog pokolenja pravilivača. Trenutno postoje dve različite topologije mostačkog PFC-a bez mosta, kao što je prikazano u nastavku, koje su u proizvodima.

Double-Boost PFC se uglavnom sastoji od dva boost konvertera. Jedan radi u pozitivnim AC ciklusima, a drugi u negativnim AC ciklusima. On smanjuje broj poluprovodničkih uredjaja u putanjama obrade snage na 2, umesto tradicionalnih 3 kod PFC-a, što poboljšava efikasnost. Prednost ove topologije jeste jednostavan upravljanje. Tradicionalni PFC kontroleri mogu biti korišćeni sa malim izmenama u šemi. Nedostatak jeste da je potrebno dva boost induktora, što bi povećalo troškove materijala (BOM) i uticalo na poboljšanje snage. Jednofazni CrM (Critical Mode) PFC ima vrlo ograničenu sposobnost rukovanja snagom ( < 500W) zbog velikog prigušenja struje induktora i težine dizajna EMI filtra. ZVS CrM PFC sa preko 500W snage često koristi dvostruko faziranje. Pomakom različitih faza za 180 stepeni, prigušenja struje mogu se ponistiti međusobno i ukupno prigušenje struje može biti smanjeno na prihvatljiv nivo.

Sa zrelosti i smanjenjem cena SiC i GaN, dizajn pravougaonika može koristiti naprednije i jednostavnije topologije da bi postigao učinkovitost preko 96% i radio na višim frekvencijama preključivanja. Sledeće je CCM (Continuous Conduction Mode) totem-pole PFC, što je vrlo pogodno za dizajn pravougaonika u kW opsegu.

IVCT je razvila referentni dizajn od 2.5kW totem-pole PFC. Sledeće su fotografija referentnog dizajna i ključni podaci iz testiranja. (link ka Aplikacionom Bilješci)

Referentni dizajn 2.5kW Totem-Pole PFC

Za DC/DC konvertore, topologije polovinog mosta i punog mosta LLC postaju sve popularnije. Postoji dva glavna razloga zbog kojih se industrija pomakla sa topologije punog mosta sa faziškom kompensacijom, koja je bila dominantna u dizajnu visemoćnih uređaja, na topologiju LLC. Puni raspon opterećenja sa primarnim ZVS (Zero Voltage Switching) i širok raspon sekundarnog ZCS (Zero Current Switching) predstavlja glavnu prednost ove topologije. Bez induktor-a na sekundarnoj strani, 12V ili 48V izlazni napon poslužitelja / telekomunikacionih uređaja omogućava korišćenje sinhronizovanog praviliva i značajno smanjuje gubitke pri provedi. Prednosti omogućavaju LLC konverterima da dostignu efikasnost dizajna preko 99%. Izuzetno velika izlazna trenutna pulsaacija kod LLC konvertera uzrokuje da se za dizajne sa visokim izlaznim strujama često koristi preklapanje LLC strukture kako bi se smanjila izlazna naponska pulsaacija i umanjila samogrejanje kondenzatora izlaznog filtera.