การใช้งาน

ภายในปี 2018 การใช้ไฟฟ้าทั่วโลกอยู่ที่ประมาณ 20,000TWh อุตสาหกรรมเทคโนโลยีสารสนเทศและการสื่อสาร (ICT) ใช้ไฟฟ้าไป 2000TWh หรือคิดเป็น 10% ของพลังงานไฟฟ้าทั่วโลก โดยมีสองส่วนหลักคือ เครือข่าย (ไร้สายและแบบมีสาย) และศูนย์ข้อมูล (Data centers) เพียงศูนย์ข้อมูลเองก็ใช้ไฟฟ้าประมาณ 200TWh ต่อปี การคาดการณ์ที่ถูกกล่าวถึงบ่อยครั้งชี้ว่าความต้องการใช้ไฟฟ้าของ ICT จะเพิ่มเร็วขึ้นในช่วงทศวรรษ 2020s และศูนย์ข้อมูลจะมีสัดส่วนมากขึ้น การเพิ่มขึ้นดังกล่าวได้รับแรงผลักดันจากการเติบโตของข้อมูลแบบทวีคูณและการใช้งาน 5G

ศูนย์ข้อมูลคือ "สมอง" ของอินเทอร์เน็ต หน้าที่ของมันคือการประมวลผล จัดเก็บ และสื่อสารข้อมูลที่อยู่เบื้องหลังบริการข้อมูลต่างๆ ที่เราพึ่งพาทุกวันไม่ว่าจะเป็นการสตรีมวิดีโอ อีเมล สื่อสังคมออนไลน์ การโทร หรือการคำนวณทางวิทยาศาสตร์ ศูนย์ข้อมูลใช้อุปกรณ์ ICT หลายประเภทเพื่อให้บริการเหล่านี้ โดยทั้งหมดทำงานด้วยพลังงานไฟฟ้า เซิร์ฟเวอร์ซึ่งเป็นองค์ประกอบสำคัญของ ICT จะทำหน้าที่ในการคำนวณและประมวลตรรกะเพื่อตอบสนองต่อคำขอข้อมูล อุปกรณ์เครือข่าย เช่น อีเธอเน็ตแบบมีสายและสถานีฐานไร้สาย ช่วยเชื่อมโยงศูนย์ข้อมูลกับอินเทอร์เน็ตและผู้ใช้ปลายทาง ทำให้สามารถรับส่งข้อมูลได้ พลังงานไฟฟ้าที่ใช้โดยอุปกรณ์ IT เหล่านี้จะถูกแปลงเป็นความร้อนในที่สุด ซึ่งจำเป็นต้องถูกลบออกโดยอุปกรณ์ทำความเย็นที่ทำงานด้วยไฟฟ้าเช่นกัน การปรับปรุงประสิทธิภาพพลังงานในแต่ละจุดส่งผลกระทบอย่างมากไม่เพียงแค่ต่อต้นทุนการดำเนินงาน แต่ยังรวมถึงการปล่อยคาร์บอนด้วย

ก่อนที่จะถึงส่วนประกอบปลายทาง กำลังไฟฟ้าทั้งหมดจำเป็นต้องผ่านการประมวลผลโดยเรคติเฟียร์ด้านหน้า ในปัจจุบัน ประสิทธิภาพของระบบจ่ายไฟสำหรับเซิร์ฟเวอร์และโทรคมนาคมส่วนใหญ่ได้รับการปรับปรุงที่ระดับเรคติเฟียร์นี้ ประสิทธิภาพของเรคติเฟียร์จากผู้ผลิตหลักอยู่ระหว่าง 90% ถึง 96% วิธีการที่มีประสิทธิภาพเรคติเฟียร์ 98% ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าสามารถทำได้ แต่การใช้งานยังคงถูกจำกัดด้วยความพร้อมใช้งานและความคุ้มค่าของอุปกรณ์ช่วงกว้างและ IC การควบคุม นอกจากประสิทธิภาพแล้ว ความหนาแน่นของกำลังไฟฟ้าของเรคติเฟียร์ยังเป็นข้อกำหนดการออกแบบสำคัญสำหรับศูนย์ข้อมูล อัตราความหนาแน่นของกำลังไฟฟ้าเรคติเฟียร์ที่สูงขึ้นจะปล่อยพื้นที่เพิ่มเติมสำหรับการติดตั้งความจุของเซิร์ฟเวอร์

รีกติฟายเออร์ประกอบด้วยสเตจพรี-เรกูเลเตอร์สำหรับการรวบรวมแฟคเตอร์ของกำลัง (PFC) และคอนเวอร์เตอร์ DC/DC แบบแยกส่วน เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพของรีกติฟายเออร์ถึง 98% ทั้ง PFC และ DC/DC จำเป็นต้องทำงานที่ระดับประสิทธิภาพ 99% PFC แบบเดิมซึ่งมีประสิทธิภาพสูงสุดประมาณ 97.5% ไม่เหมาะสมสำหรับการออกแบบประเภทนี้อีกต่อไป PFC แบบไร้บริดจ์กลายเป็นทางเลือกเดียวสำหรับการออกแบบรีกติฟายเออร์รุ่นใหม่ ในปัจจุบันมีท็อปโลจี PFC แบบไร้บริดจ์สองแบบที่อยู่ในผลิตภัณฑ์ตามที่แสดงด้านล่าง

Double-Boost PFC นั้นประกอบขึ้นจากคอนเวอร์เตอร์บูสต์สองตัว โดยตัวหนึ่งทำงานในช่วงไซคล์ AC บวก และอีกตัวทำงานในช่วงไซคล์ AC ลบ มันลดจำนวนของอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ในเส้นทางการประมวลผลพลังงานเหลือ 2 จากเดิมที่ PFC แบบดั้งเดิมใช้ 3 อัน ส่งผลให้ประสิทธิภาพเพิ่มขึ้น ข้อดีของโทโพโลยีนี้คือการควบคุมที่เรียบง่าย คอนโทรลเลอร์ PFC แบบดั้งเดิมสามารถนำมาใช้งานได้โดยมีการปรับเปลี่ยนวงจรเล็กน้อย อย่างไรก็ตามข้อเสียคือจำเป็นต้องใช้อินดักเตอร์บูสต์สองตัว ซึ่งจะเพิ่มต้นทุน BOM และกระทบต่อการเพิ่มความหนาแน่นของกำลัง พีเอฟซีเฟสเดียวแบบ CrM (Critical Mode) มีความสามารถในการจัดการกำลังไฟฟ้าที่จำกัดมาก ( < 500W) เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าริปล์ในอินดักเตอร์บูสต์สูงและความยากลำบากในการออกแบบกรอง EMI พีเอฟซีแบบ ZVS CrM ที่มีกำลังไฟเกิน 500W มักใช้วงจรสองเฟสแบบสลับกัน โดยการเลื่อนช่วงเวลาการสวิตช์ของสองเฟสนี้ไป 180 องศา แรงดันไฟฟ้าริปล์สามารถยกเลิกกันได้และทำให้แรงดันไฟฟ้าริปล์รวมลดลงถึงระดับที่ยอมรับได้

ด้วยความสุกงอมและการลดต้นทุนของ SiC และ GaN การออกแบบเรคทิฟายเออร์สามารถใช้โทโพโลยีที่ล้ำหน้าและง่ายขึ้นเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพ 96% ขึ้นไป และทำงานที่ความถี่การสลับที่สูงกว่า ต่อไปนี้คือ CCM (Continuous Conduction Mode) totem-pole PFC ซึ่งเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการออกแบบเรคทิฟายเออร์ในระดับกิโลวัตต์

IVCT ได้พัฒนาการออกแบบตัวอย่าง PFC totem-pole ขนาด 2.5kW ต่อไปนี้คือรูปภาพของการออกแบบตัวอย่างและข้อมูลการทดสอบสำคัญ (ลิงก์ไปยัง Application Note)

การออกแบบตัวอย่าง PFC Totem-Pole ขนาด 2.5kW

สำหรับขั้นตอน DC/DC ท็อปโลจีแบบ half-bridge และ full-bridge LLC กำลังได้รับความนิยมมากขึ้น มีเหตุผลหลักสองประการที่ทำให้อุตสาหกรรมเปลี่ยนจากการใช้ท็อปโลจี full bridge ที่มีการ sift phase ซึ่งเคยเป็นท็อปโลจีที่สำคัญในการออกแบบพลังงานสูงไปสู่ท็อปโลจี LLC คุณสมบัติหลักของท็อปโลจีนี้คือ ZVS ในช่วงโหลดเต็มและ ZCS ในช่วงโหลดกว้าง โดยไม่มีอินดักเตอร์ในฝั่งรอง ทำให้เอาต์พุต 12V หรือ 48V สำหรับเซิร์ฟเวอร์ / การสื่อสารโทรคมนาคมสามารถใช้วงจร synchronous rectification เพื่อลดการสูญเสียจากการนำไฟฟ้าอย่างมีนัยสำคัญ ข้อดีเหล่านี้ช่วยให้คอนเวอร์เตอร์ LLC มีประสิทธิภาพในการออกแบบมากกว่า 99% เนื่องจากคอนเวอร์เตอร์ LLC มีแรงดันริปลเลิลที่สูงในกระแสเอาต์พุต สำหรับการออกแบบเอาต์พุตที่มีกระแสสูง โครงสร้าง LLC interleaved มักถูกนำมาใช้เพื่อลดแรงดันริปลเลิลในเอาต์พุตและลดการเกิดความร้อนภายในของ kondensator ตัวกรองเอาต์พุต