การใช้งาน ประเทศไทย

ภายในปี 2018 ความต้องการไฟฟ้าทั่วโลกอยู่ที่ประมาณ 20,000TWh อุตสาหกรรมเทคโนโลยีสารสนเทศและการสื่อสาร (ICT) คิดเป็น 2000TWh หรือ 10% ของการผลิตไฟฟ้าทั่วโลก โดยสองส่วนหลักคือเครือข่าย (ไร้สายและมีสาย) และศูนย์ข้อมูล ศูนย์ข้อมูลเพียงอย่างเดียวกินไฟประมาณ 200TWh ในแต่ละปี การคาดการณ์ที่มีการอ้างอิงกันอย่างแพร่หลายชี้ให้เห็นว่าความต้องการไฟฟ้าโดยรวมของ ICT จะเพิ่มขึ้นในปี 2020 และศูนย์ข้อมูลจะใช้เวลาส่วนที่ใหญ่กว่า การเร่งความต้องการได้รับแรงหนุนจากการเติบโตของข้อมูลแบบทวีคูณและแอปพลิเคชัน 5G

ศูนย์ข้อมูลคือ “สมอง” ของอินเทอร์เน็ต บทบาทของพวกเขาคือการประมวลผล จัดเก็บ และสื่อสารข้อมูลที่อยู่เบื้องหลังบริการข้อมูลมากมายที่เราพึ่งพาทุกวัน ไม่ว่าจะเป็นการสตรีมวิดีโอ อีเมล โซเชียลมีเดีย โทรศัพท์ หรือคอมพิวเตอร์ทางวิทยาศาสตร์ ศูนย์ข้อมูลใช้อุปกรณ์ ICT ที่แตกต่างกันเพื่อให้บริการเหล่านี้ ซึ่งทั้งหมดนี้ใช้พลังงานไฟฟ้า เซิร์ฟเวอร์ ซึ่งเป็นส่วนประกอบ ICT ที่สำคัญ ให้การคำนวณและตรรกะเพื่อตอบสนองต่อการร้องขอข้อมูล อุปกรณ์เครือข่าย รวมถึงอีเทอร์เน็ตแบบมีสายและสถานีฐานไร้สาย เชื่อมต่อศูนย์ข้อมูลกับอินเทอร์เน็ตและผู้ใช้ปลายทาง ช่วยให้สามารถรับส่งข้อมูลขาเข้าและขาออกได้ ไฟฟ้าที่ใช้โดยอุปกรณ์ไอทีเหล่านี้จะถูกแปลงเป็นความร้อนในที่สุด ซึ่งจะต้องถูกกำจัดออกจากศูนย์ข้อมูลโดยอุปกรณ์ทำความเย็นที่ทำงานด้วยไฟฟ้าเช่นกัน การปรับปรุงประสิทธิภาพพลังงานทุกจุดส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญ ไม่เพียงแต่ไม่มีต้นทุนการดำเนินงาน แต่ยังรวมถึงรอยเท้าคาร์บอนด้วย

ก่อนที่จะถึงส่วนประกอบปลาย กำลังทั้งหมดต้องได้รับการประมวลผลโดยวงจรเรียงกระแสฟรอนด์เอนด์ ในปัจจุบัน ประสิทธิภาพของเซิร์ฟเวอร์และระบบไฟฟ้าโทรคมนาคมส่วนใหญ่ได้รับการปรับปรุงในระดับวงจรเรียงกระแสนี้ ประสิทธิภาพวงจรเรียงกระแสของผู้จำหน่ายหลักคือ 90% ถึง 96% ได้รับการพิสูจน์แล้วว่ามีประสิทธิภาพในการแก้ปัญหาประสิทธิภาพของวงจรเรียงกระแส 98% แต่การใช้งานยังคงถูกจำกัดโดยความพร้อมใช้งานและราคาของอุปกรณ์แถบความถี่กว้างและไอซีควบคุม นอกจากประสิทธิภาพแล้ว ความหนาแน่นของพลังงานของวงจรเรียงกระแสยังเป็นข้อกำหนดการออกแบบที่สำคัญสำหรับศูนย์ข้อมูลอีกด้วย ความหนาแน่นของพลังงานของวงจรเรียงกระแสที่สูงขึ้นจะทำให้มีพื้นที่ว่างมากขึ้นสำหรับการติดตั้งความจุของเซิร์ฟเวอร์

วงจรเรียงกระแสประกอบด้วยขั้นการรวบรวมตัวประกอบกำลัง (PFC) ตัวควบคุมล่วงหน้าและตัวแปลง DC/DC แบบแยก เพื่อให้บรรลุประสิทธิภาพวงจรเรียงกระแส 98% ทั้ง PFC และ DC/DC จำเป็นต้องทำงานที่ระดับประสิทธิภาพ 99% PFC แบบดั้งเดิมที่มีประสิทธิภาพสูงสุดประมาณ 97.5% ไม่เหมาะกับการออกแบบดังกล่าวอีกต่อไป Bridgeless PFC กลายเป็นตัวเลือกเดียวสำหรับการออกแบบวงจรเรียงกระแสรุ่นใหม่ ปัจจุบันโทโพโลยี PFC แบบไร้บริดจ์ที่แตกต่างกันสองแบบดังที่แสดงด้านล่างมีอยู่ในผลิตภัณฑ์

Double-Boost PFC ประกอบด้วยบูสต์คอนเวอร์เตอร์สองตัวเป็นหลัก อันหนึ่งทำงานที่วงจรไฟฟ้ากระแสสลับเชิงบวก และอีกอันทำงานที่วงจรไฟฟ้ากระแสสลับเชิงลบ โดยจะลดจำนวนอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ในพาธการประมวลผลกำลังลงเหลือ 2 จาก PFC แบบเดิมที่ 3 และด้วยเหตุนี้ประสิทธิภาพจึงได้รับการปรับปรุง ข้อดีของโทโพโลยีนี้คือการควบคุมที่ง่ายดาย สามารถใช้ตัวควบคุม PFC แบบดั้งเดิมกับการปรับเปลี่ยนวงจรเล็กน้อยได้ ข้อเสียเปรียบคือจำเป็นต้องใช้ตัวเหนี่ยวนำบูสต์สองตัว ซึ่งจะเพิ่มต้นทุน BOM และการปรับปรุงความหนาแน่นของพลังงานที่ส่งผลกระทบ CrM เฟสเดียว (โหมดวิกฤติ) PFC มีความสามารถในการจัดการพลังงานที่จำกัดมาก (< 500W) เนื่องจากการกระเพื่อมกระแสของตัวเหนี่ยวนำบูสต์สูงและความยากลำบากในการออกแบบตัวกรอง EMI ZVS CrM PFC ที่มีกำลังมากกว่า 500W มักใช้การสลับเฟสสองเฟส ด้วยการชดเชยระยะเวลาการสลับของทั้งสองเฟส 180 องศา ระลอกปัจจุบันสามารถหักล้างกัน และระลอกปัจจุบันทั้งหมดสามารถลดลงให้อยู่ในช่วงที่ยอมรับได้

เมื่อครบกำหนดและลดต้นทุนของ SiC และ GaN การออกแบบวงจรเรียงกระแสสามารถใช้โทโพโลยีขั้นสูงและเรียบง่ายยิ่งขึ้นเพื่อให้บรรลุประสิทธิภาพ 96+% และทำงานที่ความถี่สวิตชิ่งที่สูงขึ้น ต่อไปนี้คือ PFC โทเท็มโพล CCM (โหมดการนำต่อเนื่อง) ซึ่งเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการออกแบบวงจรเรียงกระแสของ kWs

IVCT ได้พัฒนาการออกแบบอ้างอิง PFC ของเสาโทเท็มขนาด 2.5kW ต่อไปนี้เป็นภาพถ่ายการออกแบบอ้างอิงและข้อมูลการทดสอบที่สำคัญ (ลิงก์ไปยังหมายเหตุการใช้งาน)

การออกแบบอ้างอิง PFC ของ Totem-Pole ขนาด 2.5kW

สำหรับระยะ DC/DC โทโพโลยี LLC แบบฮาล์ฟบริดจ์และฟูลบริดจ์กำลังได้รับความนิยมอย่างมาก มีสองเหตุผลหลักที่ทำให้อุตสาหกรรมเปลี่ยนจากโทโพโลยีฟูลบริดจ์แบบเปลี่ยนเฟส ซึ่งเป็นโทโพโลยีที่โดดเด่นในการออกแบบพลังงานสูง มาเป็นโทโพโลยี LLC ZVS หลักที่มีช่วงโหลดเต็มและ ZCS รองที่มีช่วงโหลดกว้างคือข้อดีหลักของโทโพโลยีนี้ เมื่อไม่มีตัวเหนี่ยวนำที่ด้านทุติยภูมิ เอาต์พุตเซิร์ฟเวอร์/โทรคมนาคมขนาด 12V หรือ 48V ทำให้สามารถใช้วงจรเรียงกระแสแบบซิงโครนัสและลดการสูญเสียการนำไฟฟ้าได้อย่างมาก ข้อดีช่วยให้สามารถออกแบบประสิทธิภาพ 99+% ของคอนเวอร์เตอร์ LLC ได้ เนื่องจากการกระเพื่อมของกระแสเอาท์พุตสูงของคอนเวอร์เตอร์ LLC สำหรับการออกแบบเอาท์พุตกระแสสูง โครงสร้าง LLC แบบแทรกจึงมักใช้เพื่อลดการกระเพื่อมของแรงดันเอาท์พุตและลดความร้อนในตัวเองของตัวเก็บประจุตัวกรองเอาท์พุต