Uygulamalar

2018 yılına kadar, küresel elektrik talebi yaklaşık 20.000TWh idi. Bilgi ve İletişim Teknolojisi (BİT) sektörü, küresel elektrik tüketiminin %10'u veya 2000TWh'ını oluşturuyordu; bunun iki ana bölümü ağlar (kablosuz ve kablolı) ve Veri Merkezleri idi. Veri merkezleri yalnızca her yıl yaklaşık 200TWh elektrik tüketmektedir. Genellikle atıf edilen tahminler, BİT'nin toplam elektrik talebinin 2020'lerde hızlanacağını ve veri merkezlerinin daha büyük bir pay alacağını belirtmektedir. Talep artışı, üstel veri büyümeleri ve 5G uygulamaları tarafından sürüklendi.

Veri merkezleri internetin “beyinleri”dir. Görevleri, her gün bağımlı olduğumuz çeşitli bilgi hizmetlerinin ardındaki verileri işlemek, depolamak ve iletişim kurmaktır; bu da video akışını, e-posta, sosyal medyayı, telefon görüşmelerini veya bilimsel hesaplamaları içerir. Veri merkezleri, bu hizmetleri sağlamak için farklı ICT cihazlarını kullanır ve tüm bunlar elektrikle çalışır. Sunucular, anahtar ICT bileşenleri olarak, bilgi isteklerine yanıt olarak hesaplama ve mantık sağlar. Ağ cihazları, kablosuz Ethernet ve kablosuz temel istasyonları içeren, veri merkezini internete ve son kullanıcılara bağlar ve gelen ve giden veri akışlarını mümkün kılar. Bu IT cihazları tarafından kullanılan elektrik nihayetinde ısıya dönüşür ve bu ısıyı, aynı şekilde elektrikle çalışan soğutma ekipmanıyla veri merkezinden uzaklaştırmak gerekir. Güç verimliliği konusunda yapılan her bir iyileştirme, yalnızca işletme maliyetlerinde değil, karbon ayak izlerinde de önemli ölçüde etki eder.

Son bileşenlere ulaşmadan önce, tüm güç ön-uç dikdörtgenler tarafından işlenmelidir. Şu anda, sunucu ve telekom güç sistemleri verimliliği çoğunlukla bu dikdörtgen seviyesinde geliştirilmektedir. Ana akım satıcıların dikdörtgen verimliliği %90 ila %96 arasındadır. %98 dikdörtgen verimliliği çözümünün mümkün olduğu kanıtlanmıştır, ancak geniş bant açıklıklı cihazlar ve kontrol IC'lerinin mevcut olabilirliği ve maliyeti nedeniyle uygulaması hala sınırlıdır. Verimlilikten başka, dikdörtgenin güç yoğunluğu da veri merkezleri için bir tasarım gereksinimidir. Daha yüksek dikdörtgen güç yoğunluğu, daha fazla sunucu kapasitesi kurulumu için daha fazla alan açar.

Düzleştiriciler, Ön-Düzenleyici Güç Faktörü Toplama (PFC) aşaması ve izole edilmiş DC/DC dönüştürücüden oluşur. Düzleştirici verimliliğinin %98'ine ulaşabilmesi için hem PFC hem de DC/DC %99 verimlilik seviyesinde çalışmalıdır. Yaklaşık %97.5 zirve verimliliği olan geleneksel PFC'ler artık bu tür tasarımlar için uygun değildir. Yeni nesil düzleştirici tasarımı için köprüsüz PFC'ler tek seçenek haline gelmiştir. Şu anda aşağıda gösterildiği gibi ürünlerde iki farklı köprüsüz PFC topolojisi bulunmaktadır.

Çift Boost PFC, esasen iki güçlendirici dönüştürücüden oluşur. Biri pozitif AC döngülerinde çalışır, diğeri de negatif AC döngülerinde çalışır. Güç işleme yollarındaki yarı iletken cihaz sayısını geleneksel PFC'lerden 2'ye düşürür ve bu nedenle verimlilik arttırılır. Bu topolojinin avantajı basit kontroldür. Geleneksel PFC denetleyicileri bazı küçük devre değişiklikleri ile kullanılabilir. Eksik tarafı, iki artış indüktörüne ihtiyaç duyulmasıdır, bu da BOM maliyetini artıracak ve güç yoğunluğunun iyileştirilmesini etkileyecektir. Tek fazlı CrM (Kritik Modu) PFC, yüksek artış indüktör akım dalgalanması ve EMI filtre tasarımı zorluğu nedeniyle çok sınırlı (< 500W) güç işleme yeteneğine sahiptir. 500W'dan fazla güçte olan ZVS CrM PFC'ler genellikle iki fazlı birleştirme kullanır. İki fazın geçiş dönemini 180 dereceyi değiştirerek, akım dalgalanmaları birbirini iptal edebilir ve toplam akım dalgalanması kabul edilebilir bir aralıkta azaltabilir.

SiC ve GaN'ın olgunlaşması ve maliyetinin düşmesiyle, dikteci tasarımı daha ileri ve daha basit topolojiler kullanarak %96'dan fazla verimlilik elde edebilir ve daha yüksek anahtarlamا frekansları ile çalışabilir. Aşağıdaki CCM (Sürekli Iletim Modu) totem-pole PFC'dir, bu da kW'lardaki dikteci tasarımı için çok uygundur.

IVCT, 2.5kW totem-pole PFC referans tasarımı geliştirdi. Aşağıdakiler referans tasarım fotoğrafı ve ana test verileridir. (Uygulama Notu bağlantısı)

2.5kW Totem-Pole PFC Referans Tasarımı

DC/DC aşamaları için, yarı-köprü ve tam köprü LLC topolojileri çok popüler hale gelmektedir. Yüksek güç tasarımında hakim olan faz kaydırılmış tam köprü topolojisi yerine LLC topolojisine geçişin iki ana nedeni vardır. Tam yükleme aralığındaki birincil ZVS ve geniş yükleme aralığındaki ikincil ZCS bu topolojinin ana avantajıdır. İkincil tarafta bobin olmaması, eşzamanlı düzeltme devresinin kullanılmasına ve iletim kayıplarının önemli ölçüde azaltılmasına olanak tanır. Bu avantajlar, LLC dönüştürücülerinin %99'dan fazla verimlilikle tasarlanması mümkün kılar. LLC dönüştürücülerinin yüksek çıkış akımı dalgalanması nedeniyle, yüksek akım çıkışlı tasarımlarda çıktı voltajı dalgalanmasını azaltmak ve çıkış filtre kapasitörü self-isıtmeyi hafifletmek amacıyla genellikle paralel LLC yapısı kullanılır.