Användning

År 2018 var den globala efterfrågan på el ungefär 20,000TWh. Information och Kommunikationsteknik (ICT)-branschen svarade för 2000TWh eller 10% av den globala elkonsumtionen, huvudsakligen delat mellan nätverk (trådlösa och trådbundna) och datacenter. Datacenter förbrukar i sig runt 200TWh per år. Ofta citerade prognoser pekar på att den totala elbehovet inom ICT kommer att accelerera under 2020-talet, och att datacenter kommer att ta en större andel. Denna ökning drivs av exponentiell dataväxt och 5G-applikationer.

Datacenter är 'hjärnorna' i internet. Deras roll är att bearbeta, lagra och kommunicera datan bakom de många informations tjänster vi bero på varje dag, oavsett om det handlar om strömning av video, e-post, sociala media, telefonsamtal eller vetenskaplig beräkning. Datacenter använder olika ICT-enheter för att tillhandahålla dessa tjänster, alla vilka drivas av el. Servrar, de viktigaste ICT-komponenterna, tillhandahåller beräkningar och logik som svar på informationsförfrågningar. Nätverksenheter, inklusive trådbundna Ethernet och trådlösa basstationer, ansluter datacentret till internet och slutanvändare, vilket möjliggör inkommande och utgående dataflöden. Den el som används av dessa IT-enheter konverteras till slutligen till värme, som måste tas bort från datacentret av kylutrustning som också körs på el. Varje punkt av effektivitetsförbättring påverkar inte bara driftskostnaderna utan också kolavtrycken betydligt.

Innan man når slutkomponenterna måste all ström bearbetas av frond-end-rektifierare. För närvarande förbättras effektiviteten av server- och telekommunikationsströmsystem främst på detta rektifierarnivå. Rektifierareffektiviteten hos huvudleverantörerna ligger mellan 90% och 96%. En lösning med 98% rektifierareffektivitet har bevisats kunna uppnås, men dess tillämpning begränsas fortfarande av tillgängligheten och kostnaden för brevidgapkomponenter och styra-IC:n. Utöver effektiviteten är också rektifierarens effektdensitet en nyckelkrav i designen av datacenter. En högre rektifierareffektdensitet skulle frigöra mer utrymme för installation av serverskapacitet.

Rektifikatorer består av en förregleringssteg med Power Factor Collection (PFC) och en isolerad DC/DC-konverterare. För att uppnå 98% rektifikatoreffektivitet måste både PFC och DC/DC arbeta på en effektivitetsnivå på 99%. Traditionell PFC med ungefär 97,5% topp-effektivitet är inte längre lämplig för sådana designer. Brödlösa PFC:er blir den enda möjligheten för den nya generationens rektifikatordesign. För närvarande finns två olika brödlösa PFC-topologier, som visas nedan, i produkter.

Double-Boost PFC består i princip av två boost-konverterare. Den ena opererar vid positiva AC-cykler och den andra vid negativa AC-cykler. Antalet halvledarförstärkare i stromslingorna minskas från 3 i traditionella PFC till 2, vilket förbättrar effektiviteten. Fördelen med denna topologi är enkel kontroll. Traditionella PFC-kontroller kan användas med några mindre kretsmodifikationer. Nackdelen är att två boost-induktorer behövs, vilket ökar BOM-kostnaden och påverkar förbättringen av effektdensitet. En ensidig CrM (Critical Mode) PFC har mycket begränsad ( < 500W) effektkapacitet på grund av hög induktorströdsrippel och svårigheten att designa EMI-filter. ZVS CrM PFC med mer än 500W effekt använder ofta två fasinterleaving. Genom att förskjuta de två fasernas schackningsperiod med 180 grader kan strödsripplarna utjämnas varandra och totala strödsrippeln kan minska till ett acceptabelt område.

Med den mognade och kostnadsminskningen av SiC och GaN kan rektifierdesign använda mer avancerade och enklare topologier för att uppnå en effektivitet på 96+% och arbeta vid högre växlingsfrekvenser. Följande är CCM (Continuous Conduction Mode) totem-pole PFC, som är mycket lämplig för rektifierdesign i kWs-omfattning.

IVCT har utvecklat en referensdesign för 2.5kW totem-pole PFC. Följande är fotot av referensdesignen och nyckeltestdata. (länk till Tillämpningsnot)

Referensdesign för 2.5kW Totem-Pole PFC

För DC/DC-steg blir halvbruk och fullbruk LLC-topologier allt populärare. Det finns två huvudsakliga skäl till att branschen skiftar från fasförskjutna fulla bruks-topologin, som var den dominerande topologin i högprestandadesign, till LLC-topologin. Primär ZVS på hela lastomfånget och sekundär ZCS på ett brett lastomfång är den viktigaste förtjänsten med denna topologi. Eftersom det inte finns någon spole på sekundärsidan kan en 12V eller 48V server-/telekomutgång göra det möjligt att använda en synkron rektifieringskrets och minska ledningsförlusterna avsevärt. Dessa fördelar gör det möjligt att designa LLC-konverterare med över 99% effektivitet. På grund av LLC-konverterarnas höga utgångssprickning används ofta en mellanllagrad LLC-struktur för högströmsutgångsdesigner för att minska utgångsspänningsrippeln och mildra självskenningen hos utgångsfiltrets kondensatorer.