功率密度與效率:如何權衡

發布時間:2020-4-13 11:16    發布者:eechina
關鍵詞: 功率密度 , 效率
能量轉換效率是一個重要的指標,各制造商摩拳擦掌希望在95%的基礎上再有所提升。為了實現這一提升,開始逐漸采用越來越復雜的轉換拓撲,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關速度被譽為未來的半導體業明珠。

然而,最終用戶要放眼全局,更關心的是整個系統或流程的效率,即在履行環保義務的同時謀求利潤最大化。他們明白,當考慮到整個壽命周期成本時,逐步減少能量轉換過程中的小部分損失并不一定會帶來總體成本或環境效益的大幅提升。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或數據中心的占地面積,并以現有的管理成本創造出更多的價值。

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/工廠車間利用率中所占百分比的實際成本,并與增加功率密度和系統效率進行了比較。

最大化效率與成本

電力電子領域,效率是一個很容易被概念化的術語——100%就是好,0%就是差。但這與你所占的角度有關,例如,對于數據中心而言,其整體電力效率近乎為零,也就是說從電網獲取的所有電力幾乎全部轉換為刀片服務器、電源和冷卻系統電子設備所產生的熱量。但如果能充分利用這些熱量為數據中心帶來收入,效果就完全不同了,這也是在多數行業廣為采納的一種方法。所以如果你想在獲取利益的同時節省成本和空間,真正的問題是如何在最大化生產力的同時最小化總功耗。

數據中心管理人員深知這一點,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盡可能降低電費,并從資本投資中獲得回報。他們別無選擇,只能增加服務器,即使會帶來數千瓦的功耗,但可以計算出因此而得到的貨幣價值,并抵消掉額外的能源和資金成本。在工業上,如果需要增加一臺100kw的電機,在產生更多凈輸出的同時,也會不可避免地增加電機驅動及供電壓力。在所有行業中,電源本身沒有增加任何商業價值,但又不可缺少,因此,電力供應中消耗的每一項運營費用和每一點功率損耗都被視為降低了利潤。這無形中給電力電子制造商帶來了更多壓力,要求他們通過提高電力效率來降低損失。

效率是個相對的概念

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程中流失的熱量。問題是,如果不考慮功率等級以及功率等級如何隨操作環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,而無其他任何意義。廣義上來說,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,使得零負載時的效率降到零。在輕負載時,轉換器設計之間可能存在巨大的差異,因此在空轉條件下,一個電源的功率損耗可能是另一個的幾倍。如圖1所示,在百分之五負載時,橙色線表示的轉換器損耗是藍色線的三倍多。因此,輕載損耗對總能量消耗有較大的影響。


圖1:同類電源轉換器的輕載效率可能會有很大差異

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(來源:維基百科)

這些限制很難實現。達到94%的鈦金等級意味著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。通過對現有設計進行微調是無法做到的,因此需要重新考慮轉換器的拓撲結構。通過采用同步驅動型MOSFET、PSFB和LLC諧振拓撲取代二極管,可以限制開關轉換過程中的損耗,而且隨著碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)等新半導體技術的出現,還可以在沒有功率損耗的情況下更快地進行開關。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鍵部分。雖然這些演變所要付出的成本都不低,但卻不會帶來“新風險”。此外,客戶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。

小改進而要付出的代價

隨著能源轉換效率接近100%,難度呈指數級增加。從97%到98%意味著減少三分之一的損耗;98%到99%意味著再減少一半的損耗。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始,而且唯一的方法是使用更復雜的技術和更昂貴的組件,并通常以犧牲尺寸為代價。1kW的電源在效率為98%時的損耗只有20.4W。為了實現99%的效率和10.1W的損耗,需要付出多少代價?對于1kW的負載,減少1%的損耗就意味著節省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,單就節能來看,所有的付出都是值得的,但我們看問題要從整體出發,不能只局限于一個方面。Rocky Mountain Power公司的數據表明,美國工業用電價格約為每千瓦時7美分。如果1kW電源在正常運行時的使用壽命是5年或約44,000小時,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3,100美元。更換電源會帶來購置成本、采購和鑒定間接費用、安裝成本,以及與數百個組件生產、包裝和運輸相關的碳足跡問題、舊設備處理成本,還有新產品的功能風險。因此如果原電源仍能可靠運行,31美元的節省也就毫無意義了。追求高效率這件事情自身恐怕會是一項昂貴的事業。

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。過去的經驗法則告訴我們,溫度每升高10°C,電子器件的壽命就會縮短一半,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,現代電子產品都非?煽磕陀,因而只有在很長的使用壽命和高度可靠的數字中才會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會(ASHRAE)的預測,顯示在入口溫度升高20至32°C(68至90°F)時,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,相關的冷卻成本就會降低約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真正節約成本。


圖3:入口溫度與設備可靠性關系曲線(來源:ASHRAE)

另一個推動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(特別是碳化硅)產品高得多,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為了在非常特定的條件下聲稱的效率而相互競爭,但對最終用戶來說,重要的是其生產效率及盈利能力。通過消耗更少的能源節省幾美元是一件好事,但通過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率所獲得的收益可能更有吸引力。數據中心和制造業的建筑面積有一種“美元密度”的說法,這是實現收入所必須達到的一項貨幣價值,以千美元/平方英尺為單位,因此縮小電子設備的規模,以提供更高的生產空間,才能獲得真正的收益。如果這意味著在需要擴展時不再急需采購完整的額外機柜,那么從短期和長期來看都將節省更多的成本。


圖4:工廠車間的美元價值

通過相關的能源轉換器實現更高的電子密度,正促使系統架構師將“功率密度”視為一個越來越重要的指標。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,在典型工業機柜中,可能有開關設備、連接器、安裝在機箱上的電磁干擾(EMI)濾波器、產生中間電壓的AC/DC轉換器、大電流母線、負載處的DC/DC轉換器、風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,例如電動機。在這種情況下,能源轉換設備的體積占整個空間的很大一部分,任何節省下來的空間都可用于安裝更多的控制電子設備。不過,因為添加設備會消耗更多的功率,所以收益也會減少?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)帶來的限制,同時供應商推出的產品越來越窄,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扇組成,因此能源轉換器的額定值往往只能針對在沒有底盤散熱的高溫氣流中運行的前提條件來確定。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熱問題

在數據中心,電源供應的體系結構對功率密度有著很大的影響。最新的趨勢是采用48V背板總線,每個刀片服務器都帶有負載點(POL)轉換器,可將電壓降低到IC級,通常低于1V。單獨來看,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,沒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)。另一個優勢是,與每個機架中的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儲能電容器,占用了寶貴的空間。

與工業制造機柜不同,數據中心的負載是刀片服務器本身,因此每個機架內部的功率損耗都可能超過10kW。這就要求通過嚴格控制的高速氣流和較低的入口溫度進行主動冷卻。對于能源轉換器而言,這是個好消息,因為能源轉換器的效率很高,其功率損耗只占整個服務器的一小部分。這樣就可以在幾乎沒有外部散熱的情況下使用POL和總線轉換器,從而保持較高的整體功率密度。實際上,這里的一大主要考慮因素就是使刀片服務器產生的熱量遠離能源轉換器。

WBG技術帶來更高的功率密度

能源轉換器設計人員可以選擇通過降低開關速度來提高效率,但這會導致無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:為價值而設計

在提高功率密度和提高功率效率之間適當進行成本權衡,可確保設計師為客戶提供超高價值的設計。除非能縮小產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成為一場收益遞減的游戲。功率密度是一個特別有用的轉換器指標,但在比較時應非常仔細以將系統中的所有元素都包括在內,并且需注意制造業機柜和數據中心服務器機架之間會有很大差異。當你為價值而設計時,需多方權衡作出明智的選擇。


文章來源:貿澤電子

作者簡介:Robert Huntley是一位具有HND資格認證的工程師和技術作家。他擁有電信、導航系統和嵌入式應用工程等專業背景,代表貿澤電子撰寫了各種技術和實踐文章。
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傲琪電子 發表于 3 天前
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