Anvendelser

I 2018 var den globale elektrisitetsforbruket omtrent 20,000TWh. Informasjon- og kommunikasjonsteknologisektoren (ICT) regnet for 2000TWh eller 10% av den globale elektrisiteten, hovedsakelig fordelt på nettverk (trådløse og trådete) og dataentre. Dataentre alene forbruker omtrent 200TWh per år. Vidt siterte prognoser foreslår at det totale elektrisitetsforbruket i ICT-sektoren vil akselerere i 2020-tallet, og at dataentre vil ta en større andel. Denne akselerasjonen drives av eksponentiell datavokst og 5G-applikasjoner.

Dataentre er "hjerneene" i internettet. Rollen deres er å behandle, lagre og kommunisere data bak de mange informasjonstjenestene vi avhenger hver dag, uansett om det er strømmende video, e-post, sosiale medier, telefonoppkall eller vitenskapelig dataprosessering. Dataentre bruker ulike ICT-enheter for å tilby disse tjenestene, alle som drives av elektrisitet. Servere, de nøkkelenhetene i ICT, gir beregninger og logikk i svar på informasjonsforespørsler. Nettverksenheter, inkludert trådete Ethernet og trådløse basisstasjoner, kobler dataenteret til internettet og end-brukere, og gjør det mulig å sende og motta datastrømmer. Den elektrisiteten som brukes av disse IT-enhetene blir til slutt konvertert til varme, som må fjernes fra dataenteret ved kjølingseffekter som også kjøres på elektrisitet. Hvert eneste forbedringspunkt i kraft-effektivitet påvirker betydelig ikke bare driftskostnader, men også karbonfotavtrykk.

Før man når endekomponentene, må all strøm behandles av forstørrelser i frontenden. I dag forbedres effektiviteten til server- og telekommunikasjonsstrømsystemer hovedsakelig på denne rektifiseringsnivået. Rektifiseringseffektiviteten til hovedleverandører ligger mellom 90% og 96%. En løsning med 98% rektifiserings-effektivitet har blitt bevist mulig, men dens anvendelse er fortsatt begrenset av tilgjengeligheten og kosta ved breddespill-enheter og kontroll-IC'er. Utover effektivitet, er også rektifiserens strømtetthet en nøkkelkrav i designet av dataentre. Høyere rektifiseringsstrømtetthet vil frigjøre mer plass for installasjon av serverkapasitet.

Retifisere består av en forhåndsregulator med styrkefaktoroppmåling (PFC)-stadium og en isolert DC/DC-konverter. For å oppnå en rektifikator-effektivitet på 98%, må både PFC og DC/DC operere på en effektivitetsnivå på 99%. Tradisjonelle PFC'er med omtrent 97,5% topp-effektivitet er ikke lenger egnet for slike design. Brødløse PFC'er blir den eneste muligheten for det nye generasjons rektifikatordesign. I dag finnes to forskjellige brødløse PFC-topologier, som vist nedenfor, i produkter.

Double-Boost PFC består i utgangspunktet av to boost-konvertere. Den ene fungerer under positive AC-sykluser og den andre fungerer under negative AC-sykluser. Den reduserer antall halvlederelementer i strømbehandlingsspesifikasjonene fra 3 til 2, noe som forbedrer effektiviteten. Fordelen med denne topologien er enkel styring. Tradisjonelle PFC-styrere kan brukes med noen mindre kretsmodifikasjoner. Ulempen er at det trengs to boost-induktører, hvilket vil øke BOM-kostnadene og påvirke forbedringen av effektdensitet. En enkeltfase CrM (Critical Mode) PFC har et veldig begrenset ( < 500W) effekthåndteringskapital pga høy spenningsrippel i boost-induktøren og vanskelig EMI-filterdesign. ZVS CrM PFC'er med over 500W effekt bruker ofte to fasert interleaving. Ved å forskyve de to fases skjermingsperioden med 180 grader, kan strømrippels kanselleres hverandre og totalen strømrippel kan reduseres til et akseptabelt nivå.

Med den modne og kostnadsreduksjonen av SiC og GaN, kan rektifiseringsdesign bruke mer avanserte og enklere topologier for å oppnå en effektivitet på 96+% og operere ved høyere skrudefrekvenser. Følgende er CCM (Continuous Conduction Mode) totem-pole PFC, som er vel egnet for rektifiseringsdesign på kWs nivå.

IVCT har utviklet et referansedesign for 2.5kW totem-pole PFC. Følgende er bildet av referansedesignet og nøkkeltestdata. (lenke til Anvendelsesnotat)

referansedesign for 2.5kW Totem-Pole PFC

For DC/DC-steg, blir halvbro og fullbro LLC-topologier veldig populære. Det finnes to hovedgrunner til at industrin skifter fra faseforskyvet fullbrostopologi, som var den dominerende topologien i høyeffektsdesign, til LLC-topologien. Full lastområde med primær ZVS og bredt lastområde med sekundær ZCS er den hovedsaklige fordelen ved denne topologien. Uten spole på sekundærsiden gjør en 12V eller 48V server/telekom-output det mulig å bruke synkron rektifiseringskrets og redusere lederforlis betraktelig. Fordelene gjør det mulig for LLC-konvertere å oppnå et design med mer enn 99% effektivitet. På grunn av høy utgangsrippel i LLC-konvertere, brukes ofte en mellomleid LLC-struktur i design med høy strøm for å redusere utgangsspenningsrippelen og mildre selvsjeldning i utgangsfilterkondensatoren.