アプリケーション

2018年までに、世界的な電力需要は約20,000TWhに達しました。情報通信技術（ICT）業界は、世界の電力需要の10%に相当する2000TWhを占めており、その主な部分はネットワーク（無線および有線）とデータセンターです。データセンターだけでも毎年約200TWhの電力を消費しています。広く引用されている予測によると、ICTの総電力需要は2020年代に加速し、データセンターがより大きな割合を占めるでしょう。この需要の増加は、指数関数的なデータの増加と5Gアプリケーションによって駆動されています。

データセンターはインターネットの「脳」です。その役割は、ストリーミングビデオ、メール、ソーシャルメディア、電話、または科学計算など、私たちが毎日頼っているさまざまな情報サービスの背後にあるデータを処理、保存、および伝達することです。データセンターはこれらのサービスを提供するために異なるICTデバイスを利用しており、これらすべては電気で動作します。サーバーは主なICTコンポーネントであり、情報要求に対して計算と論理を提供します。ネットワークデバイス、有線イーサネットや無線ベースステーションを含むものは、データセンターをインターネットと最終ユーザーに接続し、送受信のデータフローを可能にします。これらのITデバイスで使用される電力は最終的に熱に変換され、これを取り除くために電気で動作する冷却装置が必要です。効率的な電力改善の各ポイントは、運用コストだけでなく、二酸化炭素排出量にも大きく影響します。

エンドコンポーネントに到達する前に、すべての電力はフロントエンド整流器によって処理される必要があります。現在、サーバーおよび通信電力システムの効率は主にこの整流器レベルで向上しています。主要ベンダーの整流器効率は90％から96％です。98％の整流器効率ソリューションが実現可能であることが証明されていますが、その適用は依然としてワイドバンドギャップデバイスおよび制御ICの入手可能性とコストによって制限されています。効率だけでなく、整流器の電力密度もデータセンターにとって重要な設計要件です。より高い整流器電力密度により、サーバ容量の設置に使えるスペースをさらに確保できます。

整流器は、事前レギュレーターのパワーファクタコレクション（PFC）ステージとアイソレートされたDC/DCコンバータで構成されています。98%の整流効率を達成するには、PFCとDC/DCの両方が99%の効率で動作する必要があります。ピーク効率が約97.5%の従来のPFCは、このような設計には適していません。次世代の整流器設計では、ブリッジレスPFCが唯一の選択肢となります。現在、以下の図に示すように、2種類の異なるブリッジレスPFCトポロジーが製品に採用されています。

ダブルブーストPFCは基本的に2つのブーストコンバータで構成されています。一方は正のACサイクルで動作し、他方は負のACサイクルで動作します。これにより、伝統的なPFCの3つから半導体デバイスの数を電力処理パスごとに2つに削減でき、その結果効率が向上します。このトポロジーの利点は制御がシンプルなことです。従来のPFCコントローラーを使用でき、若干の回路変更で利用可能です。欠点は2つのブーストインダクタが必要であり、これはBOMコストを増加させ、電力密度の向上に影響を与える可能性があります。シングルフェーズのCrM（クリティカルモード）PFCは、高いブーストインダクタ電流リップルとEMIフィルタ設計の困難さにより、非常に限られた電力処理能力（<500W）しか持たせることができません。500Wを超えるZVS CrM PFCでは、多くの場合2フェーズインターリーブが使用されます。2つのフェーズのスイッチング期間を180度ずらすことで、電流リップルが互いにキャンセルされ、総電流リップルを許容範囲内に抑えることができます。

SiCとGaNの成熟とコスト削減により、整流器設計では96％以上の効率を達成し、より高度でシンプルなトポロジーを用いることが可能になり、さらに高いスイッチング周波数で動作できます。以下はkW級の整流器設計に適したCCM（連続伝導モード）トーテムポールPFCです。

IVCTは2.5kWのトーテムポールPFCリファレンスデザインを開発しました。以下はリファレンスデザインの写真と主要なテストデータです。（アプリケーションノートへのリンク）

2.5kW Totem-Pole PFC Reference Design

DC/DCステージでは、ハーフブリッジおよびフルブリッジLLCトポロジーが非常に人気になっています。高出力設計で主流だった位相シフトフルブリッジトポロジーからLLCトポロジーに移行する主な理由は2つあります。このトポロジーの主な利点は、フル負荷範囲での一次側ZVS（ゼロ・ボルテージ・スイッチング）と広い負荷範囲での二次側ZCS（ゼロ・カレント・スイッチング）です。二次側にインダクタがないため、12Vまたは48Vのサーバー／通信出力では、同期整流回路を使用して伝導損失を大幅に削減することが可能です。これらの利点により、LLCコンバータは99％以上の効率設計を実現しています。LLCコンバータには高い出力電流リップルがあるため、高出力出力設計では、出力電圧リップルを低減し、出力フィルターコンデンサの自己発熱を緩和するために、インターリーブ型LLC構造がよく使用されます。