Ứng dụng

Đến năm 2018, nhu cầu điện toàn cầu là khoảng 20.000TWh. Ngành công nghiệp Công nghệ Thông tin và Truyền thông (ICT) chiếm 2000TWh hoặc 10% điện năng toàn cầu, trong đó hai phần chính là mạng (di động và cố định) 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 ICT sẽ tăng nhanh trong những năm 2020, và các trung tâm dữ liệu sẽ chiếm một phần lớn hơn. Sự gia tăng này được thúc đẩy bởi sự tăng trưởng theo cấp số nhân của dữ liệu và các ứng dụng 5G.

Trung tâm dữ liệu là 'bộ não' của internet. Vai trò của chúng là xử lý, lưu trữ và truyền tải dữ liệu đằng sau vô số dịch vụ thông tin mà chúng ta phụ thuộc mỗi ngày, dù đó là xem video trực tuyến, gửi email, mạng xã hội, gọi điện thoại hay tính toán khoa học. Trung tâm dữ liệu sử dụng các thiết bị ICT khác nhau để cung cấp những dịch vụ này, tất cả đều được vận hành bằng điện. Máy chủ, thành phần ICT chính, cung cấp các phép tính và logic đáp ứng các yêu cầu thông tin. Thiết bị mạng, bao gồm bộ định tuyến Ethernet có dây và trạm gốc không dây, kết nối trung tâm dữ liệu với internet và người dùng cuối, cho phép luồng dữ liệu đi vào và đi ra. Điện năng được sử dụng bởi các thiết bị IT này cuối cùng sẽ chuyển hóa thành nhiệt, cần phải được loại bỏ khỏi trung tâm dữ liệu bằng thiết bị làm mát cũng chạy bằng điện. Mỗi điểm cải thiện hiệu quả năng lượng đều ảnh hưởng đáng kể không chỉ đến chi phí vận hành mà còn đến dấu chân carbon.

Trước khi đạt đến các thành phần cuối, tất cả điện năng cần được xử lý bởi các bộ chỉnh lưu đầu cuối. Hiện nay, hiệu suất của các hệ thống nguồn máy chủ và viễn thông chủ yếu được cải thiện ở mức bộ chỉnh lưu này. Hiệu suất chỉnh lưu của các nhà cung cấp chính là từ 90% đến 96%. Giải pháp đạt hiệu suất chỉnh lưu 98% đã được chứng minh là có thể thực hiện, nhưng việc áp dụng vẫn còn bị hạn chế bởi sự sẵn có và chi phí của các thiết bị bán dẫn băng thông rộng và IC điều khiển. Ngoài hiệu suất, mật độ công suất của bộ chỉnh lưu cũng là một yêu cầu thiết kế quan trọng đối với trung tâm dữ liệu. Mật độ công suất chỉnh lưu cao hơn sẽ giải phóng thêm không gian cho việc lắp đặt dung lượng máy chủ.

Bộ chỉnh lưu bao gồm một tầng thu thập hệ số công suất (PFC) làm việc trước và một bộ chuyển đổi DC/DC cách ly. Để đạt được hiệu suất chỉnh lưu 98%, cả PFC và DC/DC cần phải hoạt động ở mức hiệu suất 99%. PFC truyền thống với hiệu suất đỉnh khoảng 97,5% không còn phù hợp cho các thiết kế như vậy nữa. PFC không cầu trở thành lựa chọn duy nhất cho thiết kế bộ chỉnh lưu thế hệ mới. Hiện tại, hai kiến trúc PFC không cầu khác nhau, như được hiển thị bên dưới, đang được sử dụng trong các sản phẩm.

Double-Boost PFC về cơ bản bao gồm hai bộ chuyển đổi tăng áp. Một hoạt động trong chu kỳ AC dương và cái kia hoạt động trong chu kỳ AC âm. Nó giảm số lượng thiết bị bán dẫn trong các đường xử lý điện từ 3 xuống còn 2 so với PFC truyền thống, do đó hiệu suất được cải thiện. Ưu điểm của cấu trúc này là kiểm soát đơn giản. Các bộ điều khiển PFC truyền thống có thể được sử dụng với một số thay đổi nhỏ về mạch. Nhược điểm là cần hai cuộn cảm tăng áp, điều này sẽ làm tăng chi phí BOM và ảnh hưởng đến việc cải thiện mật độ công suất. PFC một pha CrM (chế độ quan trọng) có khả năng xử lý công suất rất hạn chế ( < 500W) do dòng điện ripples cao của cuộn cảm tăng áp và khó khăn trong thiết kế bộ lọc EMI. PFC ZVS CrM với công suất trên 500W thường sử dụng hai pha xen kẽ. Bằng cách错 khai hai chu kỳ chuyển mạch của hai pha cách nhau 180 độ, các ripple dòng điện có thể triệt tiêu lẫn nhau và tổng ripple dòng điện có thể được giảm xuống mức chấp nhận được.

Với sự trưởng thành và giảm chi phí của SiC và GaN, thiết kế bộ chỉnh lưu có thể sử dụng các kiến trúc tiên tiến và đơn giản hơn để đạt hiệu suất 96+% và hoạt động ở tần số chuyển mạch cao hơn. Dưới đây là PFC hình cột đôi ở chế độ CCM (Continuous Conduction Mode), rất phù hợp cho thiết kế bộ chỉnh lưu ở mức công suất kW.

IVCT đã phát triển một thiết kế tham khảo PFC hình cột đôi 2.5kW. Dưới đây là ảnh thiết kế tham khảo và dữ liệu kiểm tra chính. (liên kết đến Ghi chú Ứng dụng)

thiết kế tham khảo PFC hình cột đôi 2.5kW

Đối với các tầng DC/DC, các kiến trúc bán cầu và toàn cầu LLC đang trở nên rất phổ biến. Có hai lý do chính khiến ngành công nghiệp chuyển từ kiến trúc cầu toàn phần dịch pha, vốn là kiến trúc chủ đạo trong thiết kế công suất cao, sang kiến trúc LLC. Phạm vi tải đầy đủ ZVS sơ cấp và phạm vi tải rộng ZCS thứ cấp là ưu điểm chính của kiến trúc này. Không có cuộn cảm ở phía thứ cấp, đầu ra 12V hoặc 48V cho máy chủ / truyền thông làm cho việc sử dụng mạch chỉnh lưu đồng bộ và giảm đáng kể tổn thất dẫn điện trở thành khả thi. Những lợi thế này cho phép thiết kế bộ chuyển đổi LLC đạt hiệu suất hơn 99%. Do dao động dòng điện đầu ra cao của bộ chuyển đổi LLC, đối với các thiết kế đầu ra dòng điện lớn, cấu trúc LLC xen kẽ thường được sử dụng để giảm dao động điện áp đầu ra và giảm nhiệt tự sinh của tụ lọc đầu ra.