La eficiencia es clave para el almacenamiento de datos rentable

Las técnicas innovadoras para el diseño de SAI ofrecen altos niveles de eficiencia y rendimiento

Las técnicas innovadoras para el diseño de SAI ofrecen altos niveles de eficiencia y rendimiento.

En la actualidad, hay más datos en el mundo que nunca y hay una cosa más de la que puede estar seguro: los niveles de datos que almacenamos solo aumentarán. Dada la importancia de estos datos para casi todos los aspectos de nuestra vida cotidiana, los centros de datos altamente seguros garantizan que estos datos nunca se pierdan y siempre estén disponibles para nosotros cuando los necesitemos.

Con el alto nivel de expectativa relacionado con la disponibilidad de datos, los centros de datos incluyen cantidades significativas de redundancia. Sin embargo, si bien este enfoque es necesario, aumenta los costes en un mundo donde el almacenamiento de datos se está convirtiendo en un producto básico y los precios están cayendo.

El corazón de la entrega de estos altos niveles de servicio es la fuente de alimentación ininterrumpida (SAI) que no solo limpia y acondiciona la energía, sino que también proporciona capacidad de tiempo de actividad durante cortes de energía.

En este artículo técnico, Toshiba Electronics Europe analizará cómo está evolucionando esta tecnología,

incluidos algunos avances que pueden ofrecer una mayor eficiencia sin sacrificar el rendimiento de los sistemas SAI.

Introducción A medida que los datos crecen rápidamente, la escalabilidad en los centros de datos modernos es un requisito esencial para cubrir estas demandas de almacenamien

to. Los cortes de energía son cada vez más frecuentes, lo que significa que los SAI son una herramienta indispensable para brindar una disponibilidad de datos perfecta. Por lo tanto, no sorprende que los mercados de firmas de investigación y los mercados predigan que el mercado de SAI llegará a los 13.700 millones de dólares para el 2022 y que algunos mercados, como Asia-pacífico, seguirán creciendo alrededor de un 7,2% anual.

Actualmente, se utilizan tres tipos de SAI, entre los que se incluyen la conversión offline (fuera de línea), línea interactiva y online (en línea).

Si bien existen diferencias técnicas y de rendimiento, lo que todos estos sistemas tienen en común es la necesidad de ser eficientes, entregar la corrección del factor de potencia (PFC) lo más cerca posible de la unidad y condicionar el voltaje proporcionado, mientras se entrega todo esto a un nivel de ¡coste siempre decreciente!

El otro factor que desafía a los diseñadores es la restricción de espacio que se les impone para cumplir los requisitos de la solución que se está desarrollando. El espacio es un bien escaso en todos los centros de datos y los operadores están buscando llenarlos con almacenamiento generador de ingresos por todos los medios posibles, con la consecuencia de que los sistemas SAI están bajo una mayor presión de ser más pequeños. Esto ha impulsado la popularidad de los enfoques tipo rack basados en sistemas SAI modulares. Debido a que la potencia total de cada módulo es mucho menor que la del sistema general de SAI, hay más flexibilidad para los diseñadores y una mayor capacidad para escalar soluciones.

Reducir el tamaño del SAI mientras se mantiene la potencia de salida (o, a veces, aumentarlo) tiene un impacto significativo en la densidad de potencia. Este desafío continúa siendo más difícil ya que los diseños más pequeños tienen menos espacio para la gestión térmica, como los disipadores de calor. Con frecuencia se requiere refrigeración activa con ventiladores, pero estos dispositivos tienen un impacto en la eficiencia general del sistema ya que ellos mismos consumen energía.

Si bien la eficiencia es probablemente el objetivo más importante para la gestión de costes de operación, la corrección del factor de potencia también tiene un impacto significativo en el coste. Un SAI mal diseñado también puede introducir armónicos de tensión no deseados en la red eléctrica, lo que puede tener un impacto negativo en el funcionamiento de equipos de procesamiento y almacenamiento de vital importancia.

Mejora del rendimiento de SAI

Se espera un importante avance en el rendimiento una vez que los dispositivos GAN y SIC de amplio ancho de banda estén completamente disponibles en cantidad, con mayor fiabilidad y a un nivel de precio razonable. Hasta entonces, los diseñadores continúan sacando incluso mejoras de rendimiento modestas de los MOSFET basados en silicio existentes.

Toshiba ha patentado una técnica que está atrayendo mucha atención ya que permite que los MOSFET “superjunction” existentes basados en silicio alcancen niveles de rendimiento que se acercan a los de las próximas soluciones de ancho de banda.

Basado en una topología “Halfbridge”, se puede demostrar cómo las pérdidas de conmutación pue

den volverse muy significativas al tiempo que aumentan la frecuencia de conmutación.

Hay dos aspectos principales de estas pérdidas; la primera es la carga de recuperación inversa (Qrr) almacenada en el diodo de rueda libre (Freewheeling) que causa un pico de corriente en el transistor inferior a medida que pasa al estado de conducción. El segundo es el pico de corriente de carga durante la inversión de la capacitancia de salida (COSS) del transistor de conmutación superior.

Coss es la capacitancia de salida parásita interna de los transistores MOS “superjunction”.

El bloqueo inverso síncrono (SRB) es una técnica que bloquea la corriente inversa utilizando un transistor controlado de forma síncrona y canaliza la corriente inversa resultante a través de un diodo SIC, lo que reduce significativamente el impacto de Qrr.

Toshiba ha patentado Advancedsrb (A-SRB) [1], una novedosa técnica que niega las pérdidas de energía al recargar la capacidad de salida (COSS) precargando a través de un aumento de VDS a alrededor de 40V utilizando una bomba de carga dentro del CI del controlador. Esto reduce efectivamente COSS en un factor de 100, lo que reduce significativamente las pérdidas.

En una práctica realización de A-SRB, el transistor de conmutación principal es un MOSFET tipo DTMOS IV “superjunction” de alto voltaje con un voltaje de bloqueo máximo alrededor de 650V. El transistor de bloqueo conectado en serie es un MOSFET tipo UMOS VIII “superjunction” de baja tensión con un voltaje de bloqueo de 60V. El diodo de rueda libre es un diodo Schottky SIC como se muestra en la Figura 3.

El CI controlador T1HZ1F genera todas las señales de control necesarias a partir de una señal de entrada PWM simple y se compone de una solución patentada que contiene el principio de control de la solución completa. Esta solución se puede utilizar en múltiples aplicaciones donde A-SRB tiene un beneficio, incluyendo SAI, inversores solares, convertidores DC / DC y control de accionamiento de motor. Como A-SRB aborda las pérdidas de conmutación, se pueden utilizar frecuencias de conmutación más altas, lo que permite reducir el tamaño y el peso en componentes como el filtro de salida sin una penalización de la eficacia.

Los IGBT no son tan competitivos ya que sus frecuencias de conmutación generalmente están limitadas a alrededor de 20 khz. La figura 4 a continuación ilustra dónde los beneficios de una solución A-SRB sobre las topologías convencionales son significativos y también aumentan con una frecuencia creciente.

Como ejemplo, a una frecuencia operativa de 50 khz y una carga de 1kw, un inversor con una topología A-SRB admitiría un aumento de eficiencia del 4%, en comparación con una topología estándar o una solución IGBT. Esto permite una reducción significativa en los requisitos de gestión térmica, lo que reduce el tamaño, el peso, la complejidad y el coste del sistema. De hecho, en un centro de datos, los ahorros son más altos en general ya que la reducción en la generación de calor reduce adicionalmente el coste del aire acondicionado.

Por lo tanto, para apreciar completamente las ventajas de A-SRB, tanto el aumento en la eficiencia como el acondicionamiento de voltaje mejorado deben considerarse simultáneamente.

El aumento de la frecuencia de conmutación también ayuda a mejorar la generación de una onda sinusoidal de alta calidad, sin embargo a 50 khz las pérdidas de conmutación aumentan bruscamente. Aquí A-SRB aumenta la diferencia. A 50 khz, es compatible con una mejora significativa en el acondicionamiento de voltaje al tiempo que mejora la eficiencia. En sistemas sin ASRB, los diseñadores luchan por realizar ambas mejoras al mismo tiempo.

Soluciones modulares y discretas A-SRB

Varias soluciones están disponibles para implementar la funcionalidad A-SRB, dependiendo del nivel de potencia requerido. El

módulo T1JM4 es una solución completa A-SRB para niveles de potencia de hasta 300W que integra los controladores de compuerta, los transistores de conmutación y los diodos Schottky SIC.

Si se necesitan niveles de potencia más altos, el controlador de compuerta T1HZ1F de Toshiba se puede utilizar con discretos DTMOS, LVMOS y SBD SIC para una solución escalable. Toshiba ofrece los componentes necesarios como kits completos de componentes que facilitan la ordenación y el inventario. Notas:

[1] Toshiba Corporation Energy Systems & Solutions Company, 2016. Conmutador de semiconductores y aparatos de conversión de energía. Europäische Patentschrift EP 2 600 527 B1. 03.02.2016