Analisi e simulazione di convertitori DC/DC per l’alimentazione dei data center

La rapida crescita dei servizi digitali e dell'intelligenza artificiale ha reso i data center infrastrutture sempre più critiche dal punto di vista energetico, dove ogni punto percentuale di rendimento nella conversione dell'energia incide su consumi e costi. Al loro interno la distribuzione a livello di rack avviene tipicamente a 48 V, mentre i processori richiedono tensioni dell'ordine di 1 V con correnti molto elevate. Un simile rapporto di conversione, prossimo a 48:1, porta un convertitore buck a singolo stadio a operare con duty cycle di circa il 2%, in una zona critica per rendimento e regolazione. Per questo motivo si sono affermate architetture a due stadi, in cui un primo stadio non regolato realizza una divisione fissa della tensione e un secondo stadio provvede alla regolazione fine verso il punto di carico. Dopo una panoramica sullo stato dell'arte delle architetture di conversione da 48 V a circa 1 V, il lavoro approfondisce una soluzione a due stadi: uno stadio switched capacitor a rapporto fisso 4:1, da 48 V a 12 V, seguito da un buck multifase per la regolazione finale. I risultati analitici sono verificati mediante modelli Simulink. Il lavoro si conclude con il confronto rispetto a un convertitore buck a singolo stadio che realizza l'intera conversione dal bus di rack al punto di carico, quantificando i vantaggi dell'architettura a due stadi e il costo in componenti aggiuntivi che li accompagna. Si discutono infine limiti ed estensioni del modello.