Este artigo é uma tradução livre e foi publicado no site EEPower
O aumento da demanda de energia em data centers, impulsionado pelos avanços na inteligência artificial, está gerando a necessidade de conversores com maior densidade de potência e eficiência. Esses conversores geralmente são compostos por duas etapas: um circuito de correção do fator de potência (PFC) e um conversor CC-CC isolado.
O circuito PFC opera a partir de uma tensão de alimentação de 240 VAC e gera um barramento de 400 VDC. O estágio DC-DC reduz a tensão para 50 V, oferecendo simultaneamente isolamento. Além disso, essas fontes de alimentação devem atender aos requisitos recentemente estabelecidos pelo padrão Open Compute ORV3 e se adequar a um formato e dimensões específicas.
A primeira parte desta série de três partes apresenta uma visão geral sobre dispositivos de baixa tensão utilizados em fontes de alimentação para servidores de alta tensão.
Dispositivos de Baixa Tensão em Topologias de Alta Tensão
As fontes de alimentação tradicionais utilizam topologias de dois níveis baseadas em meio-pontes e dispositivos de alta tensão de banda larga (WBG). Para alcançar potências mais elevadas, os dispositivos de alta tensão precisam apresentar baixa resistência no estado ligado e, em alguns casos, requerem múltiplos dispositivos conectados em paralelo. Nenhuma dessas técnicas clássicas aumenta significativamente a densidade de potência. Como alternativa, dispositivos de baixa tensão podem ser utilizados em conjunto com topologias multinível e configurações em cascata, aumentando a densidade de potência além daquela proporcionada por dispositivos de alta tensão.
Topologia Multi-Nível Uma topologia multinível divide a alta tensão em vários níveis de tensão inferiores usando uma conexão em série de dispositivos e capacitores que definem os níveis respectivos. Uma abordagem popular é a topologia com capacitor flutuante, configurada como um circuito de correção de fator de potência totem-pole com quatro níveis.
Configuração em Cascata Numa configuração em cascata, múltiplos conversores são conectados em série para construir a tensão necessária na entrada, com as saídas conectadas em paralelo. Isso funciona desde que os conversores utilizados na cascata sejam isolados e alimentados por tensão.
Comparação de Desempenho: Dispositivos de Alta vs. Baixa Tensão Um sistema de fonte de alimentação de 5 kW com entrada de 240 VAC e saída de 50 VDC, compreendendo uma etapa PFC e uma etapa de isolamento com um barramento intermediário de 400 VDC, servirá como referência para comparar dispositivos de alta e baixa tensão. A etapa PFC utiliza comutação rígida em configuração totem-pole, enquanto a etapa de isolamento utiliza comutação suave baseada em um conversor LLC. Ambas são opções populares para fontes de alimentação de servidores.
A primeira comparação é uma adaptação multinível de uma figura-de-mérito abrangente para comutação rígida aplicável ao conversor PFC. Os componentes são fornecidos nas equações (1) a (3) e combinados na equação (4), onde um valor mais baixo indica melhor desempenho.
\[
FOM_1 = R_{DS(on)} · Q_G · (N – 1)^2
\]
\[
FOM_2 = R_{DS(on)} · Q_{OSS}
\]
\[
FOM_3 = R_{DS(on)} · Q_{RR} · (N – 1)^2
\]
\[
FOM_{ML} = \sqrt{(FOM1^2 + FOM2^2 + FOM3^2)}
\]
Um PFC de 5 kW requer aproximadamente 15 mΩ para cada chave de alta tensão, sendo equivalentes a três dispositivos conectados em série na configuração de capacitor flutuante com quatro níveis. Para comparação, são analisados um MOSFET SiC de 650 V, um FET Cascode GaN de 650 V, dois FETs GaN de modo de enriquecimento de 650 V conectados em paralelo (todos adequados para uso em PFC e LLC) em comparação com um FET GaN de 200 V para o PFC de quatro níveis e o GaN FET de 150 V para o LLC em cascata, com resultados demonstrados na tabela 1. Dado que a configuração em cascata utiliza quatro conversores empilhados, isso equivale a um conversor de cinco níveis.
Na Tabela 1, observa-se que os dispositivos de menor tensão apresentam valores de FOM significativamente menores que os dispositivos de alta tensão, independentemente da tecnologia.
| Device | Technology | VDS (V) | VG (V) | RDSon typ (mn) | QG (nC) | QOSS (nC) | QRR (nC) | Levels (N) | FOMML (mΩ.nC) |
| IMW65R015M2H | SiC MOSFET | 650 | 18 | 14.5 | 79 | 148 | 221 | 2 | 4024 |
| TP65H015G5WS | Cascode GaN FET | 650 | 10 | 15 | 74 | 430 | 430 | 2 | 9189 |
| 2x GS66516T-MR | Enhanced GaN FET | 650 | 5 | 12.5 | 28.4 | 268 | 0 | 2 | 3369 |
| EPC2304 | Enhanced GaN FET | 200 | 5 | 3.1 | 24 | 116 | 0 | 4 | 761 |
| EPC2305 | Enhanced GaN FET | 150 | 5 | 2.2 | 22 | 103 | 0 | 5 | 807 |
Outra característica para comparação é o EMI em modo diferencial. Tanto em conversores multiníveis quanto em configuração em cascata, qualquer evento de comutação terá sempre uma tensão muito mais baixa do que nas topologias de conversores de dois níveis. Essa menor transição de tensão reduz proporcionalmente a energia EMI em modo diferencial. Além disso, os dispositivos de menor tensão tendem a comutar mais rapidamente, aumentando o conteúdo em frequência do EMI. Uma simulação do conversor PFC demonstrou que um conversor totem-pole de quatro níveis apresenta aproximadamente 40 dB a menos de EMI em comparação ao de dois níveis.
Outro benefício final do uso de dispositivos de baixa tensão em aplicações de alta tensão é a redução no tamanho dos componentes magnéticos. Para o conversor de capacitor flutuante multi-nível, o número de níveis reduz a indutância do indutor principal por um fator (N – 1)^2, mantendo constante a magnitude da corrente de ripple. Assim, para uma configuração de três níveis, espera-se uma redução por um fator de 4 e, para quatro níveis, uma redução por fator de 9.
Além da redução de tamanho, a menor indutância aumenta a resposta do controle em malha fechada de corrente, facilitando o cumprimento de normas rigorosas de distorção harmônica total (THD) na rede.
Na abordagem em cascata, o transformador requer menos espiras, permitindo o uso de tecnologias convencionais de PCB e magnéticos planares. Essas reduções de componentes magnéticos aumentam a densidade de potência e reduzem custos. Além disso, o transformador de menor tensão pode operar em frequências muito mais elevadas, reduzindo ainda mais o tamanho dos componentes magnéticos.
Modularidade A modularidade é uma característica inerente à configuração em cascata, onde módulos de entrada de baixa tensão são empilhados para alcançar tensões mais altas. O projeto desses módulos é mais simples devido à contagem reduzida de espiras. Essa abordagem modular facilita a escalabilidade para fontes de tensão mais elevadas, como 400 V e 800 V, simplesmente adicionando módulos adicionais à pilha.
No caso de conversores multi-nível, o tamanho reduzido do indutor também permite um design modular, facilitando a adição de fases para aumentar a potência.
As figuras 5(a) e 5(b) ilustram, respectivamente, módulos conversores multi-nível e LLC em cascata.
Acompanhe as Partes 2 e 3 desta série para mais detalhes sobre o conversor PFC multi-nível e o conversor isolado.