Uygulamalar Türkiye

2018 itibarıyla küresel elektrik talebi yaklaşık 20,000TWh idi. Bilgi ve İletişim Teknolojileri (BİT) sektörü, küresel elektriğin 2000 TWh'sini veya %10'unu oluşturuyordu; bunun iki ana kısmı ağlar (kablosuz ve kablolu) ve Veri merkezleriydi. Veri merkezleri tek başına her yıl yaklaşık 200TWh tüketiyor. Yaygın olarak alıntılanan tahminler, BİT'in toplam elektrik talebinin 2020'lerde hızlanacağını ve veri merkezlerinin daha büyük bir dilim alacağını öne sürüyor. Talep hızlanması, üstel veri artışlarından ve 5G uygulamalarından kaynaklanıyor.

Veri merkezleri internetin “beynidir”. Görevleri, ister video akışı, e-posta, sosyal medya, telefon görüşmeleri veya bilimsel bilgi işlem olsun, her gün güvendiğimiz sayısız bilgi hizmetinin arkasındaki verileri işlemek, depolamak ve iletmektir. Veri merkezleri bu hizmetleri sağlamak için tamamı elektrikle çalışan farklı BİT cihazlarından yararlanmaktadır. Temel BİT bileşenleri olan sunucular, bilgi taleplerine yanıt olarak hesaplamalar ve mantık sağlar. Kablolu Ethernet ve kablosuz baz istasyonları da dahil olmak üzere ağ cihazları, veri merkezini internete ve son kullanıcılara bağlayarak gelen ve giden veri akışlarını sağlar. Bu BT cihazları tarafından kullanılan elektrik, sonuçta ısıya dönüştürülür ve bu ısının da elektrikle çalışan soğutma ekipmanı tarafından veri merkezinden uzaklaştırılması gerekir. Güç verimliliğindeki her iyileştirme, yalnızca işletme maliyetini değil aynı zamanda karbon ayak izini de önemli ölçüde etkiler.

Uç bileşenlere ulaşmadan önce tüm gücün yaprak uç redresörleri tarafından işlenmesi gerekir. Şu anda sunucu ve telekom güç sistemlerinin verimliliği çoğunlukla bu doğrultucu seviyesinde artırılmaktadır. Ana akım satıcıların redresör verimliliği %90 ila %96 arasındadır. %98 doğrultucu verimliliği çözümünün elde edildiği kanıtlanmıştır, ancak uygulaması hala geniş bant aralıklı cihazların ve kontrol IC'lerinin bulunabilirliği ve maliyeti nedeniyle sınırlıdır. Verimliliğin yanı sıra doğrultucunun güç yoğunluğu da veri merkezleri için önemli bir tasarım gereksinimidir. Daha yüksek doğrultucu güç yoğunluğu, sunucu kapasitesi kurulumu için daha fazla alan açacaktır.

Redresörler bir ön regülatör Güç Faktörü Toplama (PFC) aşamasından ve izole edilmiş bir DC/DC dönüştürücüden oluşur. %98 doğrultucu verimliliğine ulaşmak için hem PFC hem de DC/DC'nin %99 verimlilik seviyesinde çalışması gerekir. Yaklaşık %97.5 tepe verimliliğine sahip geleneksel PFC artık bu tür tasarımlar için uygun değil. Yeni nesil redresör tasarımında köprüsüz PFC'ler tek seçenek haline geliyor. Şu anda aşağıda gösterildiği gibi iki farklı köprüsüz PFC topolojisi ürünlerde bulunmaktadır.

Double-Boost PFC esasen iki boost dönüştürücüden oluşur. Biri pozitif AC döngülerinde, diğeri negatif AC döngülerinde çalışır. Güç işleme yollarındaki yarı iletken cihaz sayısını geleneksel PFC'deki 2'ten 3'ye düşürür ve dolayısıyla verimlilik artar. Bu topolojinin avantajı basit kontroldür. Geleneksel PFC kontrolörleri bazı küçük devre değişiklikleriyle kullanılabilir. Dezavantajı, BOM maliyetini artıracak ve güç yoğunluğunun iyileşmesini etkileyecek iki takviye indüktörüne ihtiyaç duyulmasıdır. Tek fazlı bir CrM (Kritik Mod) PFC, yüksek takviyeli indüktör akımı dalgalanması ve EMI filtre tasarımının zorluğu nedeniyle çok sınırlı (< 500 W) güç kullanma kapasitesine sahiptir. 500W'ın üzerinde güce sahip ZVS CrM PFC'ler genellikle iki fazlı serpiştirme kullanır. İki fazın anahtarlama periyodunun 180 derece dengelenmesiyle akım dalgalanmaları birbirini iptal edebilir ve toplam akım dalgalanması kabul edilebilir bir aralığa düşürülebilir.

SiC ve GaN'nin olgunlaşması ve maliyetinin azalmasıyla, doğrultucu tasarımı, %96+ verimlilik elde etmek ve daha yüksek anahtarlama frekanslarında çalışmak için daha gelişmiş ve daha basit topolojiler kullanabilir. Aşağıdaki, kW'ların doğrultucu tasarımına çok uygun olan CCM (Sürekli İletim Modu) totem kutuplu PFC'dir.

IVCT, 2.5kW totem kutuplu PFC referans tasarımı geliştirdi. Aşağıda referans tasarım fotoğrafı ve anahtar test verileri yer almaktadır. (Uygulama Notuna bağlantı)

2.5 kW Totem Kutuplu PFC Referans Tasarımı

DC/DC aşamaları için yarım köprü ve tam köprü LLC topolojileri çok popüler hale geliyor. Endüstrinin, yüksek güç tasarımında baskın bir topoloji olan faz kaydırmalı tam köprü topolojisinden LLC topolojisine geçiş yapmasının iki ana nedeni vardır. Tam yük aralıklı birincil ZVS ve geniş yük aralıklı ikincil ZCS, bu topolojinin temel avantajıdır. İkincil tarafta indüktör bulunmadığından, 12V veya 48V sunucu / telekom çıkışı, senkron doğrultma devresinin kullanılmasını ve iletim kaybının önemli ölçüde azaltılmasını mümkün kılar. Avantajlar, LLC dönüştürücülerin %99+ verimli tasarımını mümkün kılar. LLC dönüştürücülerin yüksek çıkış akımı dalgalanması nedeniyle, yüksek akım çıkış tasarımları için, aralıklı LLC yapısı genellikle çıkış voltajı dalgalanmasını azaltmak ve çıkış filtresi kapasitörünün kendiliğinden ısınmasını azaltmak için kullanılır.