Ứng dụng

Đến năm 2018, nhu cầu điện toàn cầu khoảng 20,000 TWh. Ngành Công nghệ Thông tin và Truyền thông (ICT) chiếm 2000TWh hay 10% điện năng toàn cầu, hai phần chính trong số đó là mạng (không dây và có dây) và Trung tâm dữ liệu. Chỉ riêng các trung tâm dữ liệu đã tiêu thụ khoảng 200TWh mỗi năm. Các dự báo được trích dẫn rộng rãi cho thấy tổng nhu cầu điện của CNTT sẽ tăng nhanh vào những năm 2020 và các trung tâm dữ liệu sẽ chiếm thị phần lớn hơn. Sự tăng tốc nhu cầu được thúc đẩy bởi sự phát triển dữ liệu theo cấp số nhân và các ứng dụng 5G.

Trung tâm dữ liệu là “bộ não” của Internet. Vai trò của họ là xử lý, lưu trữ và truyền đạt dữ liệu đằng sau vô số dịch vụ thông tin mà chúng ta sử dụng hàng ngày, cho dù đó là truyền phát video, email, mạng xã hội, cuộc gọi điện thoại hay máy tính khoa học. Các trung tâm dữ liệu sử dụng các thiết bị CNTT khác nhau để cung cấp các dịch vụ này, tất cả đều được cung cấp năng lượng điện. Máy chủ, thành phần CNTT chính, cung cấp tính toán và logic để đáp ứng các yêu cầu thông tin. Các thiết bị mạng, bao gồm các trạm cơ sở không dây và Ethernet có dây, kết nối trung tâm dữ liệu với Internet và người dùng cuối, cho phép các luồng dữ liệu đến và đi. Điện mà các thiết bị CNTT này sử dụng cuối cùng được chuyển thành nhiệt, nhiệt này phải được loại bỏ khỏi trung tâm dữ liệu bằng thiết bị làm mát cũng chạy bằng điện. Mỗi điểm cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng đều tác động đáng kể không chỉ đến chi phí vận hành mà còn đến lượng khí thải carbon.

Trước khi tiếp cận các thành phần cuối cùng, tất cả nguồn điện cần phải được xử lý bằng bộ chỉnh lưu đầu cuối. Hiện nay, hiệu suất của hệ thống điện máy chủ và viễn thông hầu hết được cải thiện ở cấp độ chỉnh lưu này. Hiệu suất chỉnh lưu của các nhà cung cấp chính thống là 90% đến 96%. Giải pháp hiệu suất chỉnh lưu 98% đã được chứng minh là có thể đạt được, nhưng ứng dụng của nó vẫn còn hạn chế do tính sẵn có và chi phí của các thiết bị băng thông rộng và IC điều khiển. Bên cạnh hiệu quả, mật độ công suất của bộ chỉnh lưu cũng là yêu cầu thiết kế quan trọng đối với trung tâm dữ liệu. Mật độ nguồn chỉnh lưu cao hơn sẽ giải phóng nhiều không gian hơn cho việc cài đặt dung lượng máy chủ.

Bộ chỉnh lưu bao gồm một giai đoạn Bộ sưu tập hệ số công suất (PFC) tiền điều chỉnh và bộ chuyển đổi DC/DC cách ly. Để đạt được hiệu suất chỉnh lưu 98%, cả PFC và DC/DC cần hoạt động ở mức hiệu suất 99%. PFC truyền thống với hiệu suất tối đa khoảng 97.5% không còn phù hợp với những thiết kế như vậy nữa. PFC không cầu nối trở thành lựa chọn duy nhất cho thiết kế bộ chỉnh lưu thế hệ mới. Hiện tại có hai cấu trúc liên kết PFC không cầu nối khác nhau, như được hiển thị bên dưới, đang có trong các sản phẩm.

Double-Boost PFC về cơ bản bao gồm hai bộ chuyển đổi tăng tốc. Một cái hoạt động ở chu kỳ AC dương và cái kia hoạt động ở chu kỳ AC âm. Nó giảm số lượng thiết bị bán dẫn trong đường dẫn xử lý nguồn xuống còn 2 so với 3 của PFC truyền thống và nhờ đó hiệu quả được cải thiện. Ưu điểm của cấu trúc liên kết này là điều khiển đơn giản. Bộ điều khiển PFC truyền thống có thể được sử dụng với một số sửa đổi mạch nhỏ. Hạn chế là cần có hai cuộn cảm tăng áp, điều này sẽ làm tăng chi phí BOM và tác động đến việc cải thiện mật độ công suất. PFC CrM (Chế độ quan trọng) một pha có khả năng xử lý công suất rất hạn chế (< 500W) do độ gợn dòng điện cảm tăng cao và khó thiết kế bộ lọc EMI. Các PFC ZVS CrM có công suất trên 500W thường sử dụng xen kẽ hai pha. Bằng cách bù đắp chu kỳ chuyển đổi của hai pha 180 độ, các gợn sóng hiện tại có thể triệt tiêu lẫn nhau và tổng gợn sóng hiện tại có thể giảm xuống một phạm vi có thể chấp nhận được.

Với sự hoàn thiện và giảm chi phí của SiC và GaN, thiết kế bộ chỉnh lưu có thể sử dụng các cấu trúc liên kết tiên tiến hơn và đơn giản hơn để đạt được hiệu suất 96+% và hoạt động ở tần số chuyển mạch cao hơn. Sau đây là PFC vật tổ cực CCM (Chế độ dẫn liên tục), rất phù hợp với thiết kế bộ chỉnh lưu của kW.

IVCT đã phát triển thiết kế tham chiếu PFC cực vật tổ 2.5kW. Sau đây là ảnh thiết kế tham khảo và dữ liệu thử nghiệm chính. (liên kết đến Ghi chú ứng dụng)

Thiết kế tham chiếu PFC Totem-Cực 2.5kW

Đối với các giai đoạn DC/DC, cấu trúc liên kết LLC nửa cầu và toàn cầu đang trở nên rất phổ biến. Có hai lý do chính khiến ngành chuyển đổi từ cấu trúc liên kết toàn cầu chuyển pha, vốn là cấu trúc liên kết chiếm ưu thế trong thiết kế công suất cao, sang cấu trúc liên kết LLC. ZVS chính có phạm vi tải đầy đủ và ZCS thứ cấp có phạm vi tải rộng là ưu điểm chính của cấu trúc liên kết này. Không có cuộn cảm ở phía thứ cấp, đầu ra máy chủ/viễn thông 12V hoặc 48V có thể sử dụng mạch chỉnh lưu đồng bộ và giảm đáng kể tổn thất dẫn truyền. Những ưu điểm này cho phép thiết kế hiệu suất 99+% của bộ chuyển đổi LLC. Do độ gợn dòng điện đầu ra cao của bộ chuyển đổi LLC, nên đối với các thiết kế đầu ra dòng điện cao, cấu trúc LLC xen kẽ thường được sử dụng để giảm gợn sóng điện áp đầu ra và giảm thiểu hiện tượng tự nóng của tụ lọc đầu ra.