Veri Merkezi veya Haberleşme Sistemleri için Faz Kaydırmalı Tam Köprü Bir DC-DC Dönüştürücünün Yüksek Verimli Optimum Tasarım Yaklaşımı

Abstract

Bu projede de veri merkezleri veya haberleşme sistemlerinde kullanılmak üzere yüksek verimli ve yüksek güç yoğunluklu bir DC-DC dönüştürücünün optimum tasarımı amaçlanmaktadır. Bu amaç doğrultusunda, 400 V’ luk bir DC güç kaynağından beslenen, yaklaşık 1 kW gücünde ve 12 V çıkış gerilimli ve tam yükteki verimi %94’ün üzerinde olan bir sunucu adaptörü prototipi tasarlanması hedeflenmiştir. Son zamanlarda güç elektroniğindeki gelişmeler, düşük fiyat avantajı yanında, veri merkezleri, haberleşme sistemleri, elektrikli araç gibi bazı uygulamalardaki sınırlı yer ve hacim gerekliliklerinden dolayı yüksek güç yoğunluğu üzerine yoğunlaşmış durumdadır. Bununla beraber, özellikle veri merkezi uygulamalarında giderek artan enerji talebi ve yükselen enerji fiyatları, enerjinin verimli kullanılması gerekliliğini de beraberinde getirmiştir. Bu sebeple yüksek verimli güç dönüşümü, enerji tasarrufu ve küçük soğutucu boyutları için güç elektroniği alanında giderek önemli bir faktör olmaktadır.Temel çalışma prensibinde yumuşak anahtarlama ile çalışan rezonanslı dönüştürücüler ve faz kaydırmalı tam köprü (PSFB) dalga genişlik modülasyonlu (PWM) DCDC dönüştürücüler orta güçlü uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadırlar. Seri, paralel, LCC ve LLC gibi rezonanslı dönüştürücüler yumuşak anahtarlamalı olarak çalıştıkları için anahtarlama kayıplarını önemli ölçüde düşürürler fakat sinusoidal olarak değişen akımın rms değeri iletim kayıplarının artmasına sebep olur. Veri merkezi veya haberleşme uygulamalarında, yüksek çıkış akımının oluşturduğu sekonder tarafı iletim kayıpları en kritik parametre olduğu için rezonanslı dönüştürücüler bu tür uygulamalar için çok uygun değildir. PSFB dönüştürücü, prensip olarak primer tarafında sıfır gerilim anahtarlama (ZVS) ile anahtarların iletime girmesini sağlarken, PWM ile çalışmayı sürdürmektedir ve iletim kayıpları geleneksel PWM dönüştürücüye yakındır. Çalışma frekansı sabittir ve basit bir kontrol metoduna sahiptir. Bu yüzden bu projede PSFB PWM DC-DC dönüştürücü topolojisi seçilmiştir ve daha sonra yüksek verim için tasarım optimizasyonuna odaklanılmıştır. Yüksek çıkış akımı göz önünde bulundurularak, sekonder tarafı için orta uçlu bir doğrultucu tercih edilmiş ve bu doğrultucuda oluşan yüksek iletim kayıpları ile baş edebilmek için optimum sayıda MOSFET’ in paralel bağlanmasından oluşan SR’ ler kullanılmıştır. SR’ leri sürmek için aktif kontrol devresi gerekliliğini ortadan kaldıran kendinden tetiklemeli bir sürme devresi düşünülmüştür. Bu tasarım yaklaşımı, her biri yaklaşık 100 A akım taşıma kapasitesine sahip belirlenen sayıda MOSFET’ in paralel bağlanmasını gerektirmektedir. Bu durumda, değeri artan gate-source kapasitesi, sürme devresinden yeterli bir şarj akımı gerektirdiği gibi çoklu MOSFET bağlantısının oluşturduğu gate yolundaki parazitik endüktans ile gate-source kapasitesi arasında düşük frekansta anahtara zarar verebilecek bir rezonans oluşabilir. Bu yüzden güvenli ve optimum bir tasarım için kendinden tetiklemeli sürme devresinin detaylı bir performans analizi yapılarak mümkün olan paralel bağlı MOSFET sayısı belirlenmiş ve en yüksek verimi veren optimum sürücü tasarımı elde edilmiştir. Ayrıca, yapılması planlanan tasarım yaklaşımında, primer tarafı yarıiletkenlerin, güç transformatörü ve çıkış filtre endüktansı gibi manyetik elemanların optimizasyonları kayıp analizi ile yüksek verim açısından incelenmiştir. Sunulan teorik performans analizi 1 kW çıkış gücü ve 12 V çıkış gerilimine sahip bir prototip ile uygulamalı olarak doğrulanmıştır. Proje önerisinde hedeflendiği gibi tasarlanan sunucu adaptörünün maksimum verimi yarı yükte %95.15 ve tam yükte %94.44 olarak elde edilmiştir. Maksimum verime ulaşabilmek için sekonder tarafında SR’ leri temsil etmek üzere farklı sayıda paralel MOSFET bağlantıları test edilmiş ve beş adet paralel kombinasyonun en güvenilir, verimli bir çalışma durumu olduğu ortaya koyulmuştur. Projede elde edilen tasarım yaklaşımı, veri merkezleri veya haberleşme sistemlerinde kullanılan güç kaynaklarında kullanılabilir. Proje kapsamında, uluslararası konferans kitapçığında basılan bir bildiri ve Science Ctation Index Expanded’ da taranacak bir makale kabulü elde edilerek bilimsel birikime katkı sağlanmıştır. Aynı zamanda, sunulan tasarım yaklaşımının kullanılmasıyla endüstriyel olarak yüksek verim ve tasarruflu enerji kullanımına ve böylece ulusal ekonomiye ve teknolojiye katkı sağlanması beklenmektedir.