Hoe werkt differentiële vermogensverwerking in datacenter-voedingsarchitecturen en waarom is het belangrijk?

In de hedendaagse datacenters is de behoefte aan efficiënte en betrouwbare stroomvoorziening cruciaal door de explosieve groei van data en het aantal digitale verbruikers, zoals harde schijven (HDD's), geheugenmodules (RAM), en processoren (CPU's, GPU's). Deze apparaten vereisen doorgaans een laagspannings-gelijkstroomvoeding (tussen 0,6 en 5 V), terwijl de energie aanvankelijk geleverd wordt via hoogspanningswisselstroom. Het omzetten van hoge naar lage spanning met zo min mogelijk verlies vormt dan ook een enorme uitdaging.

Conventionele datacenter-voedingsarchitecturen zijn grotendeels afgeleid van systemen ontworpen voor enkele computers, wat leidt tot inefficiënties naarmate het aantal servers en hun vermogen toeneemt. In deze traditionele aanpak wordt alle vermogen van elke server afzonderlijk geconverteerd, wat resulteert in een directe koppeling tussen geleverd vermogen en de daarbij behorende conversieverliezen. Dit betekent dat als het aantal servers groeit, de totale conversieverliezen exponentieel toenemen, ondanks verbeteringen in individuele vermogensconverters.

Dit concept werd voor het eerst aangetoond met een serie van vier 12V-servers direct verbonden met een 48V dc-bus, wat leidde tot een dramatische vermindering van vermogensverlies. In datacentertoepassingen, zoals harde schijven, waar vele identieke modules met vergelijkbare vermogensprofielen functioneren, is het differentiële vermogen relatief klein. Hierdoor kan een differentiële converter slechts een fractie van het totale vermogen verwerken, terwijl het merendeel rechtstreeks wordt geleverd aan de belastingen.

De DPP-architectuur vindt zijn oorsprong in batterij-actieve equalizercircuits, met diverse convertertypes zoals schakelinactor-, schakelcondensator- en wisselstroom-/gelijkstroomkoppelingen. Deze technologieën werden ook aangepast voor fotovoltaïsche systemen om mismatch tussen in serie geschakelde PV-cellen te beheren. In het kader van datacenters en grootschalige modulaire energiesystemen is de DPP-architectuur verder geëvolueerd tot multiport ac-gekoppelde DPP (MAC-DPP) converters. Deze converters maken gebruik van een meervoudige wikkelingstransformator om seriekoppelingen te verbinden, wat leidt tot een lagere componentenvoetafdruk, kleinere magnetische componenten en minder conversiestadia, terwijl ze hoge modulariteit en uitbreidbaarheid bieden.

Deze granulariteit in ontwerp maakt het mogelijk om systemen lineair uit te breiden zonder elke poort specifiek te hoeven aanpassen, wat essentieel is voor de schaalbaarheid van moderne datacenter-architecturen. Daarnaast wordt het rendement van het gehele systeem beter beheersbaar, doordat de conversieverliezen niet langer lineair toenemen met het totale geleverde vermogen, maar vooral afhankelijk zijn van de kleine vermogensverschillen tussen de serieschakelingen.

De impact van deze architectuur overstijgt de datacentermarkt; vergelijkbare principes zijn toepasbaar in fotovoltaïsche energiesystemen en batterijopslaginstallaties waar modulair opgebouwde systemen met identieke units de norm zijn. Voor de lezer is het van belang te begrijpen dat dit paradigma van differentiële vermogensverwerking niet slechts een verfijning is van bestaande technologie, maar een fundamentele herziening van hoe elektrische energie op grote schaal efficiënt wordt verdeeld.

Belangrijk om te beseffen is dat het succes van DPP-systemen niet alleen afhangt van geavanceerde hardware, maar ook van de beheersing van complexiteit op systeemniveau: het coördineren van serieschakelingen, omgaan met kleine vermogensverschillen en het minimaliseren van harmonischen en elektromagnetische interferentie. Bovendien vereist deze architectuur een verschuiving in het ontwerpdenken van afzonderlijke converterefficiëntie naar een holistische systeemefficiëntie, waarbij verliesverdeling, betrouwbaarheid en schaalbaarheid integraal worden meegenomen.

Endtext

Wat zijn de voordelen van SiC VJFET's in een Supercascode-topologie voor toepassingen bij hoge temperaturen?

De technologie maakt het mogelijk om schakelaars te ontwikkelen die werken bij hoog voltage (>15 kV), met een hogere piekvermogen (>50 MW) en bijna een factor van vier toename in de vermogensdichtheid van de schakeling (>40 kW/cm³). Dit biedt niet alleen de mogelijkheid voor snel schakelen (minder dan 50 ns), maar ook voor bedrijfstemperaturen boven de 250°C. Dit zijn prestatiekenmerken die voorheen ondenkbaar waren voor Si-gebaseerde apparaten, aangezien siliconen vaak niet geschikt zijn voor dergelijke extreme omstandigheden.

Er zijn echter aanzienlijke uitdagingen bij het verder ontwikkelen van deze technologie. Een van de belangrijkste obstakels is het vinden van geschikte verpakkingsmaterialen die bestand zijn tegen hoge temperaturen en het ontwikkelen van consistente fabricageprocessen. De materialen moeten goed op elkaar afgestemd zijn in hun thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE), omdat anders de mechanische spanningen bij verhoogde temperaturen kunnen leiden tot breuken van de gelaste materialen. Ook is de fabricage van de verbinding tussen het halfgeleider-die en de substraten van essentieel belang voor de integriteit van het hoogspanningsdeel van de schakeling. Kleine defecten kunnen de betrouwbaarheid en veiligheid van het systeem in gevaar brengen.

Hoewel de geothermische boren de oorspronkelijke motivatie was voor de ontwikkeling van de pulskracht-schakelaar, blijkt uit de eigenschappen van deze schakelaars dat ze ook in andere toepassingen zeer nuttig kunnen zijn. Het gebruik van medium voltage en hoge schakelsnelheden maakt de technologie geschikt voor toepassingen in de elektriciteitsvoorziening en aandrijfsystemen. Voor bijvoorbeeld motoren, die vaak werken onder zware omgevingsomstandigheden, kan de Schalter-technologie een aanzienlijke verbetering bieden in energie-efficiëntie en kostenbesparingen door de verminderde behoefte aan thermisch beheer.

De ontwikkeling van deze technologie heeft ook voordelen voor militaire en commerciële markten. In maritieme toepassingen, zoals voor de voortstuwing van schepen, kan de technologie zorgen voor lagere harmonische vervorming en hogere efficiëntie, waardoor het gebruik van Si-thyristor-systemen achterhaald wordt. In militaire toepassingen, zoals radarsystemen en andere toepassingen voor gerichte energie, biedt de compacte, hoogtemperatuur-resistente pulskracht-schakelaar een waardevol alternatief voor de verouderde waterstof-thyratron-schakelbuizen.

Het is duidelijk dat de voordelen van SiC VJFET's in Supercascode-topologie verder gaan dan alleen geothermische toepassingen. De mogelijkheid om sneller te schakelen, hogere vermogens te verwerken en efficiënt bij hogere temperaturen te opereren, maakt deze technologie geschikt voor een breed scala aan industrieën. Dit geldt niet alleen voor toepassingen in de energiewinning, maar ook voor militaire, commerciële en industriële toepassingen, zoals bijvoorbeeld in de aandrijving van voertuigen in ruwe omgevingen, en zelfs in medische technologieën zoals lineaire versnellers (LINAC's) voor de behandeling van kanker.

Hoe een Silicon Carbide-gebaseerde Voltage Boost Matrix Converter ontwerp een efficiënte stroomomschakeling garandeert

Bij het ontwerpen van een overvoltagebescherming (OVP) circuit is het van cruciaal belang om een snel omschakelen van de stroom te realiseren, vooral in systemen die gebruik maken van Silicon Carbide (SiC)-gebaseerde componenten. Het gebruik van SiC-transistors biedt verschillende voordelen in termen van efficiëntie en snelheid, maar brengt ook specifieke ontwerpuitdagingen met zich mee, zoals de aanwezigheid van drie gekoppelde omschakellussen binnen één fase van de Matrix Converter (MxC). Dit vereist zorgvuldig ontwerp en integratie om optimale prestaties te garanderen.

Een van de grootste uitdagingen bij het ontwerpen van een SiC-gebaseerde MxC is het beheer van de omschakeltransiënten van de bidirectionele schakelaars. Het gebruik van discrete SiC MOSFET’s in plaats van monolithische bidirectionele SiC-apparaten vraagt om de toepassing van geavanceerde commutatiestrategieën. In een veelgebruikte schakeling, de zogenaamde common-source configuratie, moet de stroom van de bovenste naar de onderste schakelaar efficiënt en snel worden omgeschakeld om de spanningsniveaus binnen veilige grenzen te houden, zoals geïllustreerd in figuur 2.12.

In figuur 2.12b worden de spannings- en stroomgolven getoond van de actieve en synchrone apparaten tijdens een typische omschakeling. Het gebruik van vierstaps-commutatiestrategieën op basis van zowel stroom- als spanningsreferenties is essentieel voor een stabiele werking van het systeem. De omschakeling van de signalen zorgt ervoor dat de stroom veilig van de bovenste naar de onderste schakelaar overgaat. Het is hierbij van belang dat de spanning op de stuurpoorten van de transistors zorgvuldig wordt gemanaged om overshoot en oscillaties te voorkomen.

De aanwezigheid van parasitaire inducties en capacitieve effecten heeft een aanzienlijke invloed op de omschakeltransiënten. Zoals weergegeven in figuur 2.13, kunnen de parasitaire inducties die voortkomen uit de fysieke lay-out van de schakelaars leiden tot ongewenste spanningsdips en oscillaties. Dit kan zelfs leiden tot overvoltageverschijnselen, zoals die geïllustreerd in figuur 2.10. Deze effecten kunnen niet worden genegeerd, vooral bij het werken met hogere schakelfrequenties, zoals de 120 Hz die in het ontwerp wordt gebruikt.

De stroomverdeling tussen de actieve en synchrone schakelaars is afhankelijk van de capaciteit van de gebruikte SiC MOSFET’s, evenals de parasitaire effecten van de schakellussen. De spanning over de inducties in de schakellussen, zoals de gemeenschappelijke broninductie (ls), kan aanzienlijk toenemen tijdens snelle omschakelingen, wat resulteert in een kortstondige spanningsval. Dit leidt tot een vermindering van de schakelsnelheid en verhoogde elektrische verliezen, wat de algehele efficiëntie van het systeem kan beïnvloeden.

De zorgvuldige selectie van materialen en een strikte controle over de lay-out van het circuit kunnen helpen bij het minimaliseren van deze parasitaire effecten. In figuur 2.14a wordt de ideale situatie getoond, waarbij de parasitaire inducties minimaal zijn, en er geen extra spanningsovershoot optreedt bij de omschakeling. Dit kan worden bereikt door gebruik te maken van laagweerstandscontacten, zorgvuldig geplaatste via’s en een optimale verdeling van de gate-weerstanden en -capaciteiten.

Een belangrijke ontwerpuitdaging is ook het gebruik van gate-driver circuitelementen die geschikt zijn voor de hoge snelheid en de vereisten van SiC MOSFET’s. De gate-driver moet snel genoeg kunnen schakelen om de MOSFET’s efficiënt te sturen, terwijl tegelijkertijd het risico van overshoot in de schakeltijden wordt geminimaliseerd. Het gebruik van high-speed gate-drivers kan hierbij het verschil maken tussen een goed functionerend systeem en een systeem dat gevoelig is voor storingen of inefficiëntie.

In het laboratorium werd een prototype van een SiC-gebaseerde MxC getest, zoals geïllustreerd in figuur 2.15. Dit testbord demonstreerde niet alleen de vermogenscapaciteit van het systeem, maar ook de praktische problemen die optreden bij het omgaan met spanningsoverbelasting en ongewenste oscillaties. Het gebruik van een aangepaste MxC-fasebeen lay-out werd gebruikt om deze problemen verder te onderzoeken, en de testresultaten wijzen op de noodzaak van geavanceerde technieken om de parasitaire effecten te controleren.

Bij de evaluatie van deze systemen is het belangrijk om niet alleen naar de stroom- en spanningsgolfvormen te kijken, maar ook naar de interactie tussen de verschillende componenten in het systeem. De lay-out van de schakelaars, de selectie van de juiste MOSFET’s en het gebruik van geavanceerde commutatie-algoritmen zijn essentieel voor het realiseren van een stabiel en efficiënt systeem.

Hoe dragen wide-bandgap halfgeleiders bij aan de elektrificatie van de luchtvaart en wat maakt ze onmisbaar?

De recente doorbraken in wide-bandgap (WBG) halfgeleiders, met name siliciumcarbide (SiC) en galliumnitride (GaN), markeren een fundamentele verschuiving in de luchtvaarttechnologie. Deze materialen bieden uitzonderlijke eigenschappen die cruciaal zijn voor toepassingen waar hoge vermogensdichtheid, efficiëntie en betrouwbaarheid onmisbaar zijn. Juist in de luchtvaart, waar de eisen qua gewicht en prestatie extreem zijn en waar de economische waarde van elk onderdeel aanzienlijk hoger ligt dan in de automobiel- of consumentenelektronica, vinden deze halfgeleiders hun meest kritieke toepassingen.

Een onderscheidend aspect van de luchtvaartsector is de unieke combinatie van hoge kosten per eenheid en relatief lage productievolumes. Terwijl auto’s en consumentenelektronica miljoenen keren worden geproduceerd, blijven vliegtuigseries beperkt tot tientallen of honderden stuks per jaar, met een prijs die gemakkelijk in de miljoenen kan lopen. Hierdoor is het acceptabel om te investeren in duurdere, maar superieure componenten zoals WBG halfgeleiders, die niet alleen de prestaties verhogen, maar ook de betrouwbaarheid in extreme omstandigheden waarborgen.

De oorsprong van geavanceerde vermogenselektronica ligt diep geworteld in de luchtvaartgeschiedenis, met de eerste toepassingen teruggaand tot militaire radarsystemen in de jaren 1940. De ontwikkeling van WBG halfgeleiders voor militaire vliegtuigen, zoals in AESA-radarsystemen, toont hun vermogen om hoge frequenties en vermogens te hanteren onder zware omstandigheden. Deze technologieën werden later overgenomen door de civiele sector, zoals zichtbaar is in de General Motors EV-1, de eerste massaal geproduceerde elektrische auto, waarvan de invertertechnologie direct terugvoert op militaire radar-elektronica.

Elektrische luchtvaart bevindt zich nu in een vergelijkbare opwindende fase als de elektrische auto’s destijds. Kleine elektrische en hybride-elektrische vliegtuigen gebruiken al SiC-inverters voor hun aandrijfmotoren. Deze ontwikkelingen zijn nog jong en grotendeels niet openbaar vanwege de startups die hieraan werken, maar de trend is duidelijk: WBG halfgeleiders zijn onmisbaar voor de toekomstige elektrificatie van vliegtuigen. Ze worden ingezet van motorcontrollers tot hulpgeneratiesystemen in grote vliegtuigen, wat hun veelzijdigheid en schaalbaarheid onderstreept.

De thermische uitdagingen die gepaard gaan met deze toepassingen, met name in vliegtuigen die onder wisselende en vaak extreme omstandigheden opereren, vereisen een diepgaande beheersing van warmteafvoer. De superieure thermische geleidbaarheid van SiC helpt hier aanzienlijk bij. Bovendien maken de hoge spannings- en temperatuursbestendigheid van WBG halfgeleiders het mogelijk om de elektrische systemen compacter, lichter en efficiënter te ontwerpen, wat essentieel is voor de luchtvaart waar gewicht en ruimte altijd beperkende factoren zijn.

Historisch gezien begon elektrische vlucht met kleine experimenten, zoals de Militky MB-E1 in 1973 met een eenvoudige borstelloze motor en NiCd-batterijen. De technologie nam echter pas echt een vlucht met de opkomst van kleine onbemande systemen (UAS), waaronder militaire drones die hun oorsprong vonden bij dezelfde bedrijven die ook elektrische voertuigen en laders ontwikkelden. De explosie van commerciële kleine drones illustreert de praktische toepasbaarheid en het vertrouwen in elektrische aandrijving binnen luchtvaarttoepassingen.

Het begrijpen van de rol van WBG halfgeleiders binnen de luchtvaart vraagt om inzicht in de complexe interactie tussen materiaalwetenschap, thermisch beheer, systeemintegratie en de unieke economische dynamiek van de sector. Het belang van betrouwbaarheid en veiligheid kan niet overschat worden, en de hogere initiële kosten wegen ruimschoots op tegen de voordelen op lange termijn in efficiency en onderhoud. Daarnaast maakt de specifieke operationele omgeving van vliegtuigen, met snelle temperatuurschommelingen en hoge vermogenspieken, dat conventionele halfgeleiders vaak tekortschieten waar WBG halfgeleiders juist excelleren.

Voor de lezer is het ook relevant te beseffen dat de elektrificatie van de luchtvaart niet alleen een technische uitdaging is, maar ook een paradigmaverschuiving in ontwerp- en productieprocessen met zich meebrengt. De integratie van WBG halfgeleiders vereist nieuwe benaderingen van systeemarchitectuur, koeltechnieken en certificering. Tegelijkertijd is er een spanningsveld tussen de noodzaak voor innovatie en de veiligheids- en regelgevende eisen waaraan moet worden voldaan.

De technologie ontwikkelt zich in een snel tempo, en toekomstige doorbraken in materiaalzuiverheid, verpakkingsmethoden en koelsystemen zullen de prestaties van WBG halfgeleiders nog verder verbeteren. Dit maakt ze niet alleen essentieel voor de huidige generatie elektrische vliegtuigen, maar ook voor de ontwikkelingen die de luchtvaart duurzaam en economisch haalbaar zullen maken op grote schaal.