Hoe de efficiëntie van converters in datacenters te verbeteren met geavanceerde architecturen

De ontwikkeling van converters voor datacenters staat tegenwoordig voor talrijke uitdagingen, vooral als het gaat om het verbeteren van de efficiëntie, het maximaliseren van de vermogensdichtheid en het verminderen van de conversieverliezen. Een van de sleutelconcepten die in deze context naar voren komt, is de noodzaak om de frequentie van de schakelaars te verhogen om de prestaties van de converter te optimaliseren, met name wanneer er capacitors worden gebruikt die werken bij hogere spanningen. Dit fenomeen is vooral merkbaar bij converters die werken met inputspanningen van 54 V of 60 V. In zulke gevallen wordt de schakelingsfrequentie vaak verhoogd, zoals van 50 kHz naar 55 kHz, om tegemoet te komen aan de licht verhoogde resonantiefrequentie die optreedt door de de-rating van de condensatoren bij een hogere spanning.

In de vergelijking tussen de 8:1 CaSP-converter en andere bestaande converters, zoals de MRD-converter, wordt een duidelijk voordeel van de CaSP-converter aangetoond. De CaSP-converter heeft een systeemrendement van 97,3% bij 40 A, wat aanzienlijk hoger is dan de 95,9% van de MRD-converter. Bovendien kan de CaSP-converter veel hogere uitgangsstromen bereiken, tot 70 A, terwijl de MRD-converter is beperkt tot 40 A. De hybride SC-topologie van de CaSP-converter biedt ook een hogere vermogensdichtheid dan de EPC LLC- en buck-topologieën die in andere referenties worden gepresenteerd, wat de beperkingen van conventionele buck-topologieën in toepassingen met een hoge spanningsomlaag onderstreept.

Om deze uitdaging aan te pakken, wordt in dit werk een nieuwe architectuur voorgesteld: de 48-V-naar-1-V schakelbusconverter (SBC). Het idee achter deze enkele-stap verticale vermogenslevering (VPD) is om de SBC direct onder de microprocessor op de moederbord te plaatsen. Dit zorgt ervoor dat de ultra-hoge stroom verticaal naar de microprocessor kan worden geleverd via via's, wat de omvang van het PDN aanzienlijk verkleint en de verliezen in het PDN minimaliseert. Het voordeel hiervan is niet alleen een verminderde verliesfactor, maar ook een besparing van kostbare ruimte aan de bovenkant van de moederbord, die dan kan worden gebruikt voor andere kritieke toepassingen zoals hoge-snelheid communicatie en geheugenmodules.

De voorgestelde topologie combineert twee 2-naar-1 SC front-end modules (stage 1) met vier 10-branch series-capacitor-buck (SCB) modules (stage 2) en creëert zo een hybride converter die kan werken met een hogere efficiëntie en vermogensdichtheid dan traditionele systemen. Het gebruik van vier fasen met een 180° faseverschuiving tussen de naburige takken, en een 90° faseverschuiving tussen verschillende modules, zorgt voor een symmetrische interleaving van de inductors, wat leidt tot betere prestaties en lagere verliezen.

Het gebruik van dergelijke geavanceerde topologieën voor verticale vermogenslevering biedt aanzienlijke voordelen op het gebied van efficiëntie en compactheid, die essentieel zijn voor de ondersteuning van de ultrahoge vermogensbehoeften van de volgende generatie microprocessors in datacenters. De combinatie van geavanceerde schakelfrequenties, hybride SC-topologieën en verticaal geïntegreerde converters biedt een pad naar efficiëntere en duurzamere datacenterinfrastructuren, waarmee de energiekosten en het ruimteverbruik worden verminderd, wat cruciaal is voor de toekomst van de cloud computing-industrie.

Hoe de positieve buck-boost converter de uitvoer van stroom regelt bij pulsstroomlevering

De spanning over D1 vormt de referentiespanning voor de “positieve” kant van de spoel van de voeding. De tweede schakelsignaal bepaalt of de schakelaar S2 geleid of niet. Als S2 geleid, wordt de spanningsval over de schakelaar berekend op basis van de stroom door de inductie. Deze waarde fungeert als de “negatieve” kant van de spanning voor het berekenen van de stroomverandering in het integratorblok, dat de stroom van de voedingspoel simuleert. Wanneer S2 niet geleid, wordt de spanning over de schakelaar berekend op dezelfde manier als de spanning over D1.

In dit geval is de geleverde stroom de stroom uit de voedingspoel, verminderd met de stroom die naar de belasting wordt geleverd. De stroom die naar de belasting wordt geleverd, wordt berekend op basis van het gedrag van de diode D2. De spanning over de diode wordt berekend door de spanning van de snubbercondensator af te trekken van de spanning over S1. Het verschil tussen de spanning van de snubbercondensator en de spanning van S1 vertegenwoordigt de positieve zijde van de spanning die over een inductie van 1 μH wordt toegepast, wat de lijninductantie simuleert. Deze inductiewaarde is hoog in vergelijking met de verwachte inductantie in het systeem, maar fungeert als een simulatiefilter voor de snel veranderende spanningsberekeningen van S2.

De negatieve kant van de spanning over de inductie is de spanning over de capaciteit van D2. Deze spanning wordt berekend door de stroom die in deze condensator vloeit te integreren. De condensator fungeert tegelijkertijd als een simulatiefilter voor de snel veranderende stroom door de diode, op basis van de diodevergelijkingen. De diodevergelijkingen worden gebruikt om de stroom door een diode te berekenen op basis van de spanning van de condensator. De diode-stroom wordt vervolgens afgetrokken van de stroom die door de filterinductie vloeit.

In het geval van de positieve buck-boost converter wordt een drieproportioneel-integrerende (PI) controller gebruikt, vergelijkbaar met de controle van andere converters, zoals de inverterende buck-boost converter. Het verschil is dat voor de positieve buck-boost converter de berekende duty cycle naar een reeks van vergelijkers wordt gestuurd om de duty cycles van zowel het buck- als het boost-gedeelte van het circuit te regelen, in tegenstelling tot een enkele duty cycle voor de inverterende buck-boost converter.

De berekende duty cycle begint met het aanpassen van de duty cycle van het buck-gedeelte totdat deze 0,75 bereikt. Op dat moment wordt de duty cycle van het buck-gedeelte beperkt tot 0,75 en wordt de duty cycle van het boost-gedeelte van het circuit aangepast. Zodra de duty cycle van het boost-gedeelte 0,5 heeft bereikt, wordt deze vastgezet op 0,5 en wordt de duty cycle van het buck-gedeelte weer verhoogd. De duty cycle van het buck-gedeelte wordt aangepast totdat deze 1 bereikt. Nu het buck-gedeelte niet verder kan worden aangepast, worden alle verdere verhogingen van de berekende duty cycle toegepast op het boost-gedeelte.

Tijdens simulaties werd ontdekt dat de opstarttransiënt van de positieve buck-boost converter leidde tot oncontroleerbare oscillaties in de uitvoerstroom. Dit werd gedeeltelijk veroorzaakt doordat het berekende signaal bij het begin van de transiënt boven de 0,75 uitkwam, wat het schakelen van het boost-gedeelte van de voeding activeerde. Een andere oorzaak waren de vertragingen in de gemeten spanning over de snubbercondensator en de uitvoerstroom van de voeding, die werden veroorzaakt door de filters die de ingangssignalen voor de PI-controllers averageen. De vertraagde respons van de filteruitgangen op transiënten maakte het moeilijk om de opstarttransiënt goed te volgen.

Het gedrag van de armatuur in de rail is een voorbeeld van het effect van deze regeling. De verplaatsing van de armatuur, als reactie op de invoerstroom, volgt een kwadratische vorm. De snelheid van de armatuur neemt lineair toe als gevolg van de relatief constante stroom die door de rails wordt geleverd. Het gevolg van de sterke stijging van de stroom is dat de armatuur sneller uit de rails beweegt en een hogere snelheid bereikt. De stroomsnelheid in de rails heeft een piek, gevolgd door een daling wanneer het boost-gedeelte begint met werken. Deze daling wordt veroorzaakt doordat de verbinding van de voedingspoel wordt onderbroken terwijl de stroom in de voedingspoel geleidelijk wordt opgevoerd.

De juiste werking van een positieve buck-boost converter kan dus worden beïnvloed door meerdere factoren zoals de nauwkeurigheid van de spannings- en stroomberekeningen, de timing van de schakelaars en de gedragspatronen van de inducties en condensatoren in het systeem. Het begrijpen van de dynamiek van de stroomlevering en de effectiviteit van de controlemethoden is essentieel voor het optimaliseren van het ontwerp en het verbeteren van de prestaties van de converter.

Hoe verbeterde busbarontwerpen en stroombalanceringstechnieken de efficiëntie van krachtige omvormers?

In de wereld van hoogvermogenomvormers voor transporttoepassingen, zoals die gebruikt worden in elektrische voertuigen en zware machines, zijn ontwerpkeuzes cruciaal voor zowel de prestatie als de betrouwbaarheid van het systeem. Twee belangrijke aspecten die de efficiëntie van deze systemen beïnvloeden, zijn de busbarontwerpen en de stroombalanceringsmethoden in parallelle MOSFET-modules. Beide benaderingen dragen direct bij aan de vermindering van parasitaire inducties en de verbetering van de stroomverdeling, wat resulteert in meer betrouwbare en efficiënte omvormers.

Naast de busbarontwerpen is het balanceren van de stroom tussen parallelle SiC (siliciumcarbide) MOSFET-modules van essentieel belang voor de stabiliteit en de prestaties van de omvormer. SiC MOSFETs bieden aanzienlijke voordelen voor toepassingen met hoog vermogen vanwege hun uitstekende thermische eigenschappen en hogere schakelfrequenties. Het parallellen van SiC-modules verhoogt de stroomcapaciteit van het systeem, maar introduceert tegelijkertijd stroomverdelingsproblemen door verschillen in de parameters van de schakelaars en de circuits. Dit probleem kan worden aangepakt door gebruik te maken van een gesloten-lus stroombalanceringsstrategie, die zowel de transiënte als de stationaire stroomonevenwichtigheden aanpakt. Bij de stationaire onevenwichtigheid helpt de zelfinductantie van de gebruikte stroomkabels om het probleem van ongelijk verdeelde stroom door de parallelle verbindingen te verminderen. Voor transiënte onevenwichtigheden, die vaak het gevolg zijn van verschillende schakelfenomenen in de parallelle MOSFETs, kan een eenvoudige regeling met goedkope stroomsensoren worden toegepast. Door de gemeten onevenwichtigheden aan te passen, kan een modulatierespons signaal per module worden gecorrigeerd, waardoor verdere storingen in de stroombalans worden voorkomen. Deze benadering is eenvoudig te implementeren, biedt verbeterde compatibiliteit en flexibiliteit en kan zonder geavanceerde controle-algoritmen of op maat gemaakte hardware worden toegepast, wat de gebruiksvriendelijkheid vergroot, zelfs bij omvormers met een variabel aantal parallel geschakelde modules.

Verder is betrouwbaarheid een cruciaal aspect in het ontwerp van krachtige omvormers, vooral in zware toepassingen zoals landbouwtractoren of andere off-road voertuigen. In een onderzoek naar de betrouwbaarheid van een SiC drie-fasen T-type omvormer werd de thermische prestatie van de modules geanalyseerd door gebruik te maken van een lumped capacitance model, dat de temperatuurstijging en de levensduur van de modules kan voorspellen. Het model werd gevalideerd door middel van experimenten, waarbij thermocouples en infraroodcamera’s werden gebruikt om de temperaturen van de modules en de gate drivers te meten. De resultaten toonden aan dat het model nauwkeurig de werkelijke thermische prestaties voorspelt en dat SiC-modules beter bestand zijn tegen de hogere temperaturen die optreden bij intensieve belasting, vergeleken met traditionele silicium (Si)-modules. Deze hogere thermische stabiliteit draagt bij aan de langere levensduur van SiC-modules, vooral in veeleisende toepassingen.

De betrouwbaarheid van het systeem kan verder worden voorspeld door het thermische gedrag van de modules te koppelen aan de verwachte levensduur, gebaseerd op de temperatuurprofielen en de afname van de prestatie van de componenten in de loop der tijd. De keuze van koelvloeistof en koelsystemen speelt hierbij een essentiële rol, aangezien deze de operationele temperatuur en de efficiëntie van de omvormer sterk beïnvloeden. Het gebruik van een 50% mengsel van water- en ethyleenglycol heeft bijvoorbeeld invloed op de thermische prestaties en moet zorgvuldig worden afgestemd op de omgevingsomstandigheden waarin het systeem wordt gebruikt.