Today, IT industry is constantly growing such as internet and cloud computing service. According to the trends, the data center is expanded in the world and its power consumption is also increased. Therefore, high efficiency of data center is strongly required in order to solve environment problems such as global warming by increasing power consumption of data centers. The new structure ($480V_{AC}-48V_{DC}$) of data center is already presented in order to improve efficiency of data center by reducing the transmission stages. However, the structure requires a change of server power system from AC/DC server power system to DC/DC one. Efficiency of DC/DC server power system is lower than AC/DC server power system because of large conduction losses in primary-side. Because of that, total efficiency of $480V_{AC}-48V_{DC}$ is almost same to the conventional structure. The study of DC/DC server power system for high efficiency is strongly required in order to achieve high total efficiency of $480V_{AC}-48V_{DC}$ structure.
Therefore, this paper proposes asymmetric Half-Bridge (HB) resonant converter for high efficiency of DC/DC server power system by using voltage-lift technique. Because the transformer in DC/DC server power system have large turns ratio by higher input voltage and the proposed converter is able to be optimally designed at nominal input voltage by narrow input voltage range, the primary conduction loss is significantly reduced. Because there are no additional switches, large additional loss of the switches can be also removed. Therefore, the proposed converter can be achieved high efficiency. In this paper, the circuit derivation, operation principle, relevant analysis and design example of the proposed converter are presented. Finally, the validity of this study is confirmed by the experimental results of prototype 300W (12V/25A) converters.
오늘날, 인터넷의 발전과 클라우드 컴퓨팅 서비스와 같은 새로운 기술로 인해 IT 산업은 지속적으로 성장하고 있다. 그에 따라, 데이터 센터는 전세계적으로 확장되고 있으며, 이로 인해 데이터센터의 전력 소비 또한 함께 증가하게 된다. 이러한 전력 소비의 증가에 따라 데이터 센터의 관리 비용이 증가하고, 지구 표면 온도 상승으로 인한 여러 가지 환경 문제 또한 야기될 수 있다. 따라서, 이러한 문제를 해결하기 위해 데이터 센터는 점점 높은 효율이 요구 되고 있다.
데이터 센터의 효율 향상을 위해 전송 단계의 감소를 통한 DC분배 구조의 적용이 검토되고 있다. 하지만, 이러한 구조는 AC/DC 서버용 전원 장치를 낮은 입력 전압으로 갖는 DC/DC 서버용 전원 장치로의 변경이 필요하다. DC/DC 서버용 전원 장치의 경우, 낮은 입력 전압으로 인해 변압기 턴비가 낮아 1차측 도통 손실이 크고, 넓은 입력 전압 범위에 대한 요구로 정격 전압에서의 최적화된 설계가 힘들다. 그러한 이유로 인해 DC/DC 서버용 전원 장치의 경우, 낮은 효율을 갖게 된다. 낮은 DC/DC 서버 파워 시스템의 효율로 인해 전송 단계 감소를 통한 효율 향상 효과가 감소되어 데이터 센터의 높은 효율을 위해DC/DC 서버용 전원 장치의 고효율 연구가 강하게 요구되고 있다.
기존 DC/DC 서버용 전원 장치에는 단일 단으로 구성된 비대칭 하프브리지 PWM 컨버터와 하프브리지 LLC 공진형 컨버터가 많이 사용되고 있다. 하지만, 이러한 토폴로지는 낮은 변압기의 턴비로 인해 1차측 전류가 매우 크기 때문에, 높은 도통 손실을 가져 낮은 효율을 갖게 된다. 또한, 입력 전압의 범위가 넓은 DC/DC서버용 전원 장치의 특징으로 인해, 정격 입력 전압에서의 최적화된 설계가 힘들다는 단점 또한 가지고 있다. 이를 보완하기 위해 하프브리지 LLC 공진형 컨버터 앞 단에 부스트 컨버터를 직렬 연결한 두 개의 단으로 구성된 컨버터가 많이 사용되고 있다. 두 개의 단으로 구성된 컨버터는 공진형 컨버터에 높은 입력 전압과 좁은 입력 전압 범위를 부스트 컨버터를 통해서 입력하기 때문에, 변압기 턴비를 증가함에 따라 1차측 도통 손실을 감소할 수 있고, 좁은 입력 전압 범위의 인가로 인해 가장 높은 효율이 요구되는 정격 전압에서의 최적화된 설계 또한 가능하다는 장점이 있다. 하지만, 추가되는 두 개의 스위치 소자로 인해 추가적인 도통 손실이 발생하고 전력 밀도의 감소 및 가격 상승이라는 큰 문제를 가지게 된다.
제안된 컨버터는 전압-리프트 회로를 이용하여 추가적인 스위치 소자 없이, 상승된 전압과 좁은 범위를 가진 전압을 LLC 공진형 컨버터에 인가 한다. 높은 입력 전압으로 인해 변압기의 턴비를 증가시킬 수 있어, 1차측 도통 손실의 감소를 통해 높은 효율을 이룰 수 있다. 또한, 좁은 입력 전압 범위를 가지므로 정격 전압에서의 최적화된 설계 또한 가능하다. 그리고 추가적인 스위치가 존재하지 않기 때문에 또한 스위치의 큰 추가 손실도 제거할 뿐만 아니라, 높은 전력밀도와 낮은 가격을 가진다.
본 논문에서는 제안된 컨버터의 동작이 분석되었으며, 설계 시 고려 사항 및 기존 컨버터와의 설계 비교에 대해 다룬다. 마지막으로, 본 연구의 효과는 300W (12V/25A)의 서버 파워 사양으로 설계되고 실험을 통해 그 유용성을 검증하였다. 본 논문에서 제안하는 컨버터는 데이터 센터의 전체 효율 향상을 위한 DC 분배 구조의 DC/DC 서버용 전원장치에 적합하다.
