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能量轉換效率是一個(gè)重要的指標，各制造商摩拳擦掌希望在95%的基礎上再有所提升。為了實(shí)現這一提升，開(kāi)始逐漸采用越來(lái)越復雜的轉換拓撲，如移相全橋（PSFB）和LLC變換器。而且二極管將逐漸被功耗更低的MOSFET所取代，寬帶隙（WBG）器件更是以其驚人的開(kāi)關(guān)速度被譽(yù)為未來(lái)的半導體業(yè)明珠。 然而，最終用戶(hù)要放眼全局，更關(guān)心的是整個(gè)系統或流程的效率，即在履行環(huán)保義務(wù)的同時(shí)謀求利潤最大化。他們明白，當考慮到整個(gè)壽命周期成本時(shí)，逐步減少能量轉換過(guò)程中的小部分損失并不一定會(huì )帶來(lái)總體成本或環(huán)境效益的大幅提升。另一方面，將更多能量轉換設備集成到更小的封裝中，即提高“功率密度”，可以更有效地利用工廠(chǎng)或數據中心的占地面積，并以現有的管理成本創(chuàng )造出更多的價(jià)值。 本文分析了追求能源轉換效率在節能、采集/處理成本和機柜/工廠(chǎng)車(chē)間利用率中所占百分比的實(shí)際成本，并與增加功率密度和系統效率進(jìn)行了比較。 最大化效率與成本 在電力電子領(lǐng)域，效率是一個(gè)很容易被概念化的術(shù)語(yǔ)——100%就是好，0%就是差。但這與你所占的角度有關(guān)，例如，對于數據中心而言，其整體電力效率近乎為零，也就是說(shuō)從電網(wǎng)獲取的所有電力幾乎全部轉換為刀片服務(wù)器、電源和冷卻系統電子設備所產(chǎn)生的熱量。但如果能充分利用這些熱量為數據中心帶來(lái)收入，效果就完全不同了，這也是在多數行業(yè)廣為采納的一種方法。所以如果你想在獲取利益的同時(shí)節省成本和空間，真正的問(wèn)題是如何在最大化生產(chǎn)力的同時(shí)最小化總功耗。 數據中心管理人員深知這一點(diǎn)，而且每天都需要考慮如何在提升數據處理能力和速度的同時(shí)盡可能降低電費，并從資本投資中獲得回報。他們別無(wú)選擇，只能增加服務(wù)器，即使會(huì )帶來(lái)數千瓦的功耗，但可以計算出因此而得到的貨幣價(jià)值，并抵消掉額外的能源和資金成本。在工業(yè)上，如果需要增加一臺100kw的電機，在產(chǎn)生更多凈輸出的同時(shí)，也會(huì )不可避免地增加電機驅動(dòng)及供電壓力。在所有行業(yè)中，電源本身沒(méi)有增加任何商業(yè)價(jià)值，但又不可缺少，因此，電力供應中消耗的每一項運營(yíng)費用和每一點(diǎn)功率損耗都被視為降低了利潤。這無(wú)形中給電力電子制造商帶來(lái)了更多壓力，要求他們通過(guò)提高電力效率來(lái)降低損失。 效率是個(gè)相對的概念 能源轉換效率似乎很容易定義，可以用公式表述為“輸出功率除以輸入功率，以百分比表示”，輸出功率與輸入功率之差即為能量轉換過(guò)程中流失的熱量。問(wèn)題是，如果不考慮功率等級以及功率等級如何隨操作環(huán)境和操作條件而變化，那么效率就僅僅是轉換器之間的比較標準，而無(wú)其他任何意義。廣義上來(lái)說(shuō)，就是需要找到設備的最佳運行條件。轉換器很少在接近最大額定功率的情況下工作，因此通常設計為在最大額定負載的50%到75%左右達到峰值效率，并有一定的曲度，使得零負載時(shí)的效率降到零。在輕負載時(shí)，轉換器設計之間可能存在巨大的差異，因此在空轉條件下，一個(gè)電源的功率損耗可能是另一個(gè)的幾倍。如圖1所示，在百分之五負載時(shí)，橙色線(xiàn)表示的轉換器損耗是藍色線(xiàn)的三倍多。因此，輕載損耗對總能量消耗有較大的影響。 
圖1：同類(lèi)電源轉換器的輕載效率可能會(huì )有很大差異 幸運的是，有一些標準規定了各等級的效率曲線(xiàn)形狀，例如具有不同級別的“80-PLUS計劃”�！扳伣稹笔亲罡呒墑e，115V系統要求50%負載下的最低效率為94%，10%負載下的最低效率為90%；對于230V系統而言，兩種情況下的效率分別為96%和90%（表1）。
表1：此表列出了115V系統的80-PLUS效率標準（來(lái)源：維基百科） 這些限制很難實(shí)現。達到94%的鈦金等級意味著(zhù)減少四分之三的電力損失。由于電源的額定功率一定，這就意味著(zhù)在效率僅提高14%的情況下，必須將功率損耗從250瓦降低到64瓦。通過(guò)對現有設計進(jìn)行微調是無(wú)法做到的，因此需要重新考慮轉換器的拓撲結構。通過(guò)采用同步驅動(dòng)型MOSFET、PSFB和LLC諧振拓撲取代二極管，可以限制開(kāi)關(guān)轉換過(guò)程中的損耗，而且隨著(zhù)碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等新半導體技術(shù)的出現，還可以在沒(méi)有功率損耗的情況下更快地進(jìn)行開(kāi)關(guān)。就連不起眼的主電源整流橋也已演變成混合排列的MOSFET，成為了功率因數校正電路的關(guān)鍵部分。雖然這些演變所要付出的成本都不低，但卻不會(huì )帶來(lái)“新風(fēng)險”。此外，客戶(hù)和電力供應制造商對更高功率的需求也呈螺旋式上升趨勢，要求達到99％甚至更高。 小改進(jìn)而要付出的代價(jià) 隨著(zhù)能源轉換效率接近100%，難度呈指數級增加。從97%到98%意味著(zhù)減少三分之一的損耗；98%到99%意味著(zhù)再減少一半的損耗。在任何轉換器設計中，將損耗減少50%都可能迫使完全從頭開(kāi)始，而且唯一的方法是使用更復雜的技術(shù)和更昂貴的組件，并通常以犧牲尺寸為代價(jià)。1kW的電源在效率為98%時(shí)的損耗只有20.4W。為了實(shí)現99%的效率和10.1W的損耗，需要付出多少代價(jià)？對于1kW的負載，減少1%的損耗就意味著(zhù)節省10.1W，但需要如何設計呢？
圖2：1kW能源轉換器的損耗與效率 當然，單就節能來(lái)看，所有的付出都是值得的，但我們看問(wèn)題要從整體出發(fā)，不能只局限于一個(gè)方面。Rocky Mountain Power公司的數據表明，美國工業(yè)用電價(jià)格約為每千瓦時(shí)7美分。如果1kW電源在正常運行時(shí)的使用壽命是5年或約44,000小時(shí)，則減少10.1W的損耗可節省約31美元，然而負載的電源所增加的成本卻超過(guò)3,100美元。更換電源會(huì )帶來(lái)購置成本、采購和鑒定間接費用、安裝成本，以及與數百個(gè)組件生產(chǎn)、包裝和運輸相關(guān)的碳足跡問(wèn)題、舊設備處理成本，還有新產(chǎn)品的功能風(fēng)險。因此如果原電源仍能可靠運行，31美元的節省也就毫無(wú)意義了。追求高效率這件事情自身恐怕會(huì )是一項昂貴的事業(yè)。 管理溫度以提升功率密度 也許提高能源轉換器的效率以降低內部溫度和提高計算壽命/可靠性是值得的，但這只有在外殼和散熱系統保持不變的情況下才有效。過(guò)去的經(jīng)驗法則告訴我們，溫度每升高10°C，電子器件的壽命就會(huì )縮短一半，而根據可靠性手冊可知，溫度升高10°C，半導體和電容器故障率將分別增加25%和50%左右。然而，現代電子產(chǎn)品都非�？煽磕陀�，因而只有在很長(cháng)的使用壽命和高度可靠的數字中才會(huì )體現出這樣的百分比變化。例如，對于數據中心，電力電子設備冷卻系統一直被設定為保持21°C左右的理想入口溫度，但英特爾和其他公司的研究表明，這一溫度可以提高，并且對系統可靠性影響不明顯。APC的一份報告中引用了美國采暖、制冷與空調工程師協(xié)會(huì )（ASHRAE）的預測，顯示在入口溫度升高20至32°C（68至90°F）時(shí)，整體設備故障率僅增加1.5倍（圖3）。數據中心的溫度每升高1攝氏度，相關(guān)的冷卻成本就會(huì )降低約7%，因此，減小機箱尺寸并允許包括電源在內的設備能在更高溫下運行，可以在釋放機架空間的同時(shí)真正節約成本。
圖3：入口溫度與設備可靠性關(guān)系曲線(xiàn)（來(lái)源：ASHRAE） 另一個(gè)推動(dòng)小型電源在更高溫下運行的因素是采用由SiC或GaN材料制成的WBG半導體。這些器件的額定工作溫度比硅類(lèi)（特別是碳化硅）產(chǎn)品高得多，其芯片可以承受高達幾百攝氏度的溫度。 功率密度指標的重要性 能源轉換設備供應商可能會(huì )為了在非常特定的條件下聲稱(chēng)的效率而相互競爭，但對最終用戶(hù)來(lái)說(shuō)，重要的是其生產(chǎn)效率及盈利能力。通過(guò)消耗更少的能源節省幾美元是一件好事，但通過(guò)增加機柜或機架中的設備密度以及提高每立方英尺的生產(chǎn)率所獲得的收益可能更有吸引力。數據中心和制造業(yè)的建筑面積有一種“美元密度”的說(shuō)法，這是實(shí)現收入所必須達到的一項貨幣價(jià)值，以千美元/平方英尺為單位，因此縮小電子設備的規模，以提供更高的生產(chǎn)空間，才能獲得真正的收益。如果這意味著(zhù)在需要擴展時(shí)不再急需采購完整的額外機柜，那么從短期和長(cháng)期來(lái)看都將節省更多的成本。
圖4：工廠(chǎng)車(chē)間的美元價(jià)值 通過(guò)相關(guān)的能源轉換器實(shí)現更高的電子密度，正促使系統架構師將“功率密度”視為一個(gè)越來(lái)越重要的指標。然而，與端到端電氣效率不同，完整系統的功率密度非常難以比較，因為需要考慮的因素太多。比如，在典型工業(yè)機柜中，可能有開(kāi)關(guān)設備、連接器、安裝在機箱上的電磁干擾（EMI）濾波器、產(chǎn)生中間電壓的AC/DC轉換器、大電流母線(xiàn)、負載處的DC/DC轉換器、風(fēng)扇及其自身的電源和安裝硬件，甚至還包括空調機組。在控制柜中，負載可能是外部的，例如電動(dòng)機。在這種情況下，能源轉換設備的體積占整個(gè)空間的很大一部分，任何節省下來(lái)的空間都可用于安裝更多的控制電子設備。不過(guò)，因為添加設備會(huì )消耗更多的功率，所以收益也會(huì )減少�？刂乒襁�可能受到要求使用標準化硬件（如用于設備安裝的DIN導軌）帶來(lái)的限制，同時(shí)供應商推出的產(chǎn)品越來(lái)越窄，而輸入/輸出連接器尺寸的可用性也往往定義了最低要求。30W AC/DC的寬度現在只有21mm左右，而480W部件的尺寸可以達到48mm寬x124mm高。機柜內的冷卻系統（如果有）可能只是由入口溫度不確定的風(fēng)扇組成，因此能源轉換器的額定值往往只能針對在沒(méi)有底盤(pán)散熱的高溫氣流中運行的前提條件來(lái)確定。這使得能源轉換密度的值相對較低，每25立方毫米約為10到20瓦。 數據中心電源轉換器由負載引起的發(fā)熱問(wèn)題 在數據中心，電源供應的體系結構對功率密度有著(zhù)很大的影響。最新的趨勢是采用48V背板總線(xiàn)，每個(gè)刀片服務(wù)器都帶有負載點(diǎn)（POL）轉換器，可將電壓降低到IC級，通常低于1V。單獨來(lái)看，POL的功率密度可以達到每平方厘米15kW以上，但需要大量的散熱或氣體流通。48V總線(xiàn)可以采用機架式AC/DC轉換器，但功率密度可能只有每平方厘米310W左右�；蛘�，可從外部中央電源提供380V直流電，并在機架中轉換為48V。采用直流電時(shí)，沒(méi)有交流整流和功率因數校正電路的損耗，因此非常高效，并且具有每平方厘米15千瓦以上的高功率密度（冷卻足夠的情況下）。另一個(gè)優(yōu)勢是，與每個(gè)機架中的AC/DC不同，這種方案可以集中儲存用于應對功率損耗或斷電的電力，而機架中的AC/DC需要配備大型的內部?jì)δ?a href="http://selenalain.com/keyword/電容器" target="_blank" class="relatedlink">電容器，占用了寶貴的空間。 與工業(yè)制造機柜不同，數據中心的負載是刀片服務(wù)器本身，因此每個(gè)機架內部的功率損耗都可能超過(guò)10kW。這就要求通過(guò)嚴格控制的高速氣流和較低的入口溫度進(jìn)行主動(dòng)冷卻。對于能源轉換器而言，這是個(gè)好消息，因為能源轉換器的效率很高，其功率損耗只占整個(gè)服務(wù)器的一小部分。這樣就可以在幾乎沒(méi)有外部散熱的情況下使用POL和總線(xiàn)轉換器，從而保持較高的整體功率密度。實(shí)際上，這里的一大主要考慮因素就是使刀片服務(wù)器產(chǎn)生的熱量遠離能源轉換器。 WBG技術(shù)帶來(lái)更高的功率密度 能源轉換器設計人員可以選擇通過(guò)降低開(kāi)關(guān)速度來(lái)提高效率，但這會(huì )導致無(wú)源元件以及殼體尺寸變大。復雜的諧振變換器拓撲結構可以實(shí)現高頻、低損耗運行，但是SiC和GaN又憑借其高速、低損耗的特性再次改變了游戲規則。它們能夠在更高的溫度下可靠地工作，進(jìn)一步減小轉換器封裝尺寸，將功率密度值推向新高。 結論：為價(jià)值而設計 在提高功率密度和提高功率效率之間適當進(jìn)行成本權衡，可確保設計師為客戶(hù)提供超高價(jià)值的設計。除非能縮小產(chǎn)品尺寸為直接增加利潤的設備留出空間，否則一味的追求提高能源轉換效率可能會(huì )成為一場(chǎng)收益遞減的游戲。功率密度是一個(gè)特別有用的轉換器指標，但在比較時(shí)應非常仔細以將系統中的所有元素都包括在內，并且需注意制造業(yè)機柜和數據中心服務(wù)器機架之間會(huì )有很大差異。當你為價(jià)值而設計時(shí)，需多方權衡作出明智的選擇。 文章來(lái)源：貿澤電子 作者簡(jiǎn)介：Robert Huntley是一位具有HND資格認證的工程師和技術(shù)作家。他擁有電信、導航系統和嵌入式應用工程等專(zhuān)業(yè)背景，代表貿澤電子撰寫(xiě)了各種技術(shù)和實(shí)踐文章。 |
