Toepassingen

In 2018 bedroeg de wereldwijde elektriciteitsvraag ongeveer 20.000TWh. De informatie- en communicatietechnologie (ICT)-sector nam hier 2000TWh of 10% van de wereldwijde elektriciteit voor zijn rekening, waarvan de twee belangrijkste onderdelen netwerken (draadloos en met kabel) en datacenters waren. Datacenters alleen verbruiken jaarlijks ongeveer 200TWh. Breed geciteerde voorspellingen suggereren dat de totale elektriciteitsvraag van de ICT zal versnellen in de jaren 2020, en dat datacenters een groter aandeel zullen innemen. Deze vraagversnelling wordt gedreven door exponentieel data-groei en 5G-toepassingen.

Datacenters zijn de 'hersens' van het internet. Hun rol is om gegevens te verwerken, op te slaan en uit te wisselen die ten grondslag liggen aan de vele informatiediensten waarop we dagelijks vertrouwen, of het nu gaat om video-streaming, e-mail, sociale media, telefoongesprekken of wetenschappelijke berekeningen. Datacenters gebruiken verschillende ICT-apparaten om deze diensten te verstrekken, allemaal aangedreven door elektriciteit. Servers, de belangrijkste ICT-onderdelen, bieden berekeningen en logica in antwoord op informatieaanvragen. Netwerkapparatuur, inclusief draadloze en met kabel verbonden Ethernet-basisstations, verbindt het datacenter met het internet en eindgebruikers, waardoor binnenkomende en uitgaande gegevensstromen mogelijk worden. De elektriciteit die wordt gebruikt door deze IT-apparaten wordt uiteindelijk omgezet in warmte, die moet worden verwijderd uit het datacenter door koelinstallaties die ook op elektriciteit draaien. Elk punt van verbetering in stroomefficiëntie heeft een grote invloed niet alleen op de exploitatiekosten, maar ook op de koolstofvoetafdruk.

Voordat de stroom de eindcomponenten bereikt, moet al de energie worden verwerkt door front-end rectifiers. Momenteel wordt de efficiëntie van server- en telecomstelsels voornamelijk verbeterd op het niveau van deze rectifiers. De rectifierefficiëntie van hoofdleversanciers ligt tussen de 90% en 96%. Een oplossing met een rectifierefficiëntie van 98% is bewezen haalbaar, maar de toepassing ervan wordt nog beperkt door de beschikbaarheid en kosten van wide bandgap apparaten en controle-IC's. Naast efficiëntie is de vermogensdichtheid van de rectifier ook een belangrijk ontwerpvereiste voor datacenters. Een hogere rectifier-vermogensdichtheid vrijkomt meer ruimte voor de installatie van servercapaciteit.

Rechters bestaan uit een voorschakeling met Power Factor Collection (PFC) en een geïsoleerde DC/DC-converter. Om een rechterefficiëntie van 98% te bereiken, moeten zowel PFC als DC/DC op een efficiëntieniveau van 99% werken. Traditionele PFC met een piek-efficiëntie van ongeveer 97,5% is niet meer geschikt voor dergelijke ontwerpen. Bridgeless PFC's worden de enige optie voor het ontwerp van de nieuwe generatie rectifiers. Momenteel zijn er twee verschillende topologieën van bridgeless PFC's, zoals hieronder weergegeven, in producten.

Double-Boost PFC bestaat essentieel uit twee boost converters. De een werkt tijdens de positieve AC cycli en de andere tijdens de negatieve AC cycli. Het verminderd het aantal halvegeleidertypes in de krachtverwerkingspaden van 3 in traditionele PFC's tot 2, waardoor de efficiëntie verbetert. Het voordeel van deze topologie is eenvoudige controle. Traditionele PFC controllers kunnen worden gebruikt met enkele kleine schakelingenwijzigingen. Het nadeel is dat twee boost spoelen nodig zijn, wat de BOM-kosten verhoogt en de verbetering van de krachtdichtheid beïnvloedt. Een enkelvoudige CrM (Critical Mode) PFC heeft een zeer beperkte ( < 500W) vermogensafhandelcapaciteit vanwege de hoge boost spoelstroompulsatie en de moeilijkheid van EMI-filterontwerp. ZVS CrM PFC's met meer dan 500W vermogen gebruiken vaak twee fasen interleaving. Door de twee fasen te verschuiven met 180 graden ten opzichte van elkaar, kunnen de stroompulsaties elkaar opheffen en kan de totale stroompulsatie worden teruggebracht tot een aanvaardbaar bereik.

Met de volwassenheid en kostenverlaging van SiC en GaN kan de rectifiërschakeling meer geavanceerde en eenvoudigere topologieën gebruiken om een efficiëntie van 96+% te bereiken en te werken op hogere schakelfrequenties. Hieronder staat CCM (Continuous Conduction Mode) totem-pole PFC, wat zeer geschikt is voor kWs rectifiërschakelingen.

IVCT heeft een referentieschakeling ontwikkeld voor een 2,5kW totem-pole PFC. Hieronder staan de foto van de referentieschakeling en de belangrijke testgegevens. (link naar Toepassingsnota)

referentieschakeling voor 2,5kW Totem-Pole PFC

Voor DC/DC-stages worden half-brug- en full-brug LLC-topologieën steeds populairder. Er zijn twee belangrijke redenen waarom de industrie overschakelt van de faseverschuivende full-brugtopologie, die dominant was in het ontwerp voor hoge vermogens, naar de LLC-topologie. Volledige ZVS op primaire zijde en breed belastingsbereik ZCS op secundaire zijde is het belangrijkste voordeel van deze topologie. Door geen spoelen aanwezig te hebben op secundaire zijde, maakt een 12V of 48V server-/telecom-uitgang het mogelijk om een synchrone rectificatiecircuit te gebruiken en de geleidingsverliezen aanzienlijk te verminderen. Deze voordelen maken het mogelijk om LLC-converterontwerpen met een efficiëntie van 99+% te realiseren. Vanwege het hoge uitstroompulsniveau van LLC-converters wordt bij ontwerpen met een hoge uitstroom vaak een interleaved LLC-structuur gebruikt om het uitvoerspanningspulsniveau te verlagen en de zelfverhitting van de uitvoerfiltercondensator te verminderen.