Zastosowania

Do 2018 roku światowe zapotrzebowanie na energię elektryczną wynosiło około 20 000TWh. branża Informatyka i Telekomunikacja (ICT) odpowiadała za 2000TWh, czyli 10% światowej elektroenergii, z której dwie główne części to sieci (bezprzewodowe i przewodowe) oraz centra danych. Same centra danych zużywają rocznie około 200TWh. Powszechnie cytowane prognozy wskazują, że ogólne zapotrzebowanie energetyczne ICT przyspieszy w latach 2020-tych, a centra danych zajmą większy udział. Przyspieszenie zapotrzebowania jest spowodowane wykładniczym wzrostem danych i aplikacjami 5G.

Centra danych są „mózgami” internetu. Ich rolą jest przetwarzanie, przechowywanie i komunikacja danych stojących za mnóstwem usług informacyjnych, na które codziennie sięgapamy, czy to strumieniowanie wideo, e-maile, media społecznościowe, rozmowy telefoniczne, czy obliczenia naukowe. Centra danych wykorzystują różne urządzenia ICT do zapewnienia tych usług, wszystkie napędzane przez energię elektryczną. Serwery, kluczowe elementy ICT, dostarczają obliczeń i logiki w odpowiedzi na żądania informacyjne. Urządzenia sieciowe, w tym stacje bazowe Ethernet i bezprzewodowe, łączą centrum danych z internetem i użytkownikami końcowymi, umożliwiając przepływ danych wejściowych i wyjściowych. Energia elektryczna używana przez te urządzenia IT ostatecznie przekształca się w ciepło, które musi zostać usunięte z centrum danych za pomocą urządzeń chłodniczych, które również działają na energii elektrycznej. Każda poprawa w efektywności energetycznej ma istotny wpływ nie tylko na koszty eksploatacji, ale także na emisję dwutlenku węgla.

Przed dotarciem do elementów końcowych, cała energia musi zostać przetworzona przez prostowniki front-end. Obecnie wydajność systemów zasilania serwerów i telekomunikacyjnych jest głównie poprawiana na tym poziomie prostowników. Wydajność prostowników głównych producentów wynosi od 90% do 96%. Udowodniono, że można osiągnąć rozwiązanie o wydajności prostownika na poziomie 98%, ale jego zastosowanie wciąż jest ograniczone dostępnością i kosztem urządzeń o szerokim pasmie przepustowym oraz sterujących układów IC. Oprócz wydajności, gęstość mocy prostownika jest również kluczowym wymaganiem projektowym dla centrów danych. Większa gęstość mocy prostownika zwolni więcej miejsca na instalację pojemności serwerowej.

Przewodniki składają się z etapu wstępnego regulacji czynnika mocy (PFC) oraz izolowanego konwertera DC/DC. Aby osiągnąć wydajność przewodnika na poziomie 98%, zarówno PFC, jak i DC/DC muszą działać z wydajnością na poziomie 99%. Tradycyjny PFC o maksymalnej wydajności około 97,5% nie nadaje się już do takich rozwiązań. Bezprzekładowe PFC stają się jedyną opcją dla nowoczesnego projektu przewodników. Obecnie dwie różne topologie bezprzekładowych PFC, jak pokazano poniżej, są stosowane w produktach.

Double-Boost PFC składa się zasadniczo z dwóch przekształtników boost. Jeden działa podczas dodatnich półfal AC, a drugi podczas ujemnych półfal AC. Liczba półprzewodnikowych urządzeń w ścieżkach przetwarzania mocy jest zmniejszana do 2 z tradycyjnych 3 w PFC, co poprawia efektywność. Zaletą tej topologii jest proste sterowanie. Tradycyjne kontrolery PFC mogą być używane z niektóry drobnymi modyfikacjami obwodu. Wada polega na tym, że potrzebne są dwa cewki boost, co zwiększa koszt BOM i wpływa na ograniczenie poprawy gęstości mocy. Jednofazowy PFC CrM (Critical Mode) ma bardzo ograniczoną zdolność obsługi mocy ( < 500W) ze względu na wysoki puls prądu cewki boost oraz trudność w projektowaniu filtra EMI. PFC CrM ZVS o mocy powyżej 500W często wykorzystuje dwufazowe przeploty. Przez przesunięcie okresu przełączania dwóch faz o 180 stopni, pulsacje prądu mogą się wzajemnie anulować, a całkowite pulsacje prądu mogą zostać zmniejszone do akceptowalnego zakresu.

Z powodu dojrzałości i obniżania kosztów SiC i GaN, projekt prostownika może wykorzystywać bardziej zaawansowane i prostsze topologie, aby osiągnąć efektywność 96+% i działać przy wyższych częstotliwościach przemiennych. Poniżej przedstawiono CCM (Continuous Conduction Mode) totem-pole PFC, który jest doskonale odpowiedni dla projektów prostowników o mocy kilowatowej.

IVCT opracowała referencyjny projekt 2.5kW totem-pole PFC. Poniżej znajdują się zdjęcia projektu oraz kluczowe dane testowe. (odnośnik do Notatki Application)

referencyjny Projekt 2.5kW Totem-Pole PFC

Dla etapów DC/DC, topologie półmostka i pełnego mostka LLC stają się bardzo popularne. Istnieją dwa główne powody, dla których przemysł przechodzi od topologii pełnego mostka z przesunięciem fazy, która była dominującą topologią w projektach o wysokiej mocy, do topologii LLC. Pełna ZVS (Zero Voltage Switching) w zakresie obciążenia podstawowego oraz szeroka ZCS (Zero Current Switching) w zakresie obciążenia wtórnego to główna zaleta tej topologii. Bez indukcyjności po stronie wtórnej, wyjście serwera lub telekomunikacyjne na 12V lub 48V umożliwia użycie układu prostownika synchronicznego i znacząco zmniejsza straty przewodzenia. Te zalety pozwalają na projektowanie konwerterów LLC z efektywnością ponad 99%. Ze względu na wysoki szum prądu wyjściowego konwerterów LLC, w projektach o wysokim prądzie wyjściowym często stosuje się strukturę LLC z przemiarem, aby zmniejszyć szum napięcia wyjściowego i złagodzić samonagrzewanie kondensatorów filtrujących wyjścia.