功率密度与效率：如何权衡
发布时间：2020-2-24 16:30
发布者：eechina
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作者：Robert Huntley 能量转换效率是一个重要的指标，各制造商摩拳擦掌希望在95%的基础上再有所提升。为了实现这一提升，开始逐渐采用越来越复杂的转换拓扑，如移相全桥（PSFB）和LLC变换器。而且二极管将逐渐被功耗更低的MOSFET所取代，宽带隙（WBG）器件更是以其惊人的开关速度被誉为未来的半导体业明珠。 然而，最终用户要放眼全局，更关心的是整个系统或流程的效率，即在履行环保义务的同时谋求利润最大化。他们明白，当考虑到整个寿命周期成本时，逐步减少能量转换过程中的小部分损失并不一定会带来总体成本或环境效益的大幅提升。另一方面，将更多能量转换设备集成到更小的封装中，即提高“功率密度”，可以更有效地利用工厂或数据中心的占地面积，并以现有的管理成本创造出更多的价值。 本文分析了追求能源转换效率在节能、采集/处理成本和机柜/工厂车间利用率中所占百分比的实际成本，并与增加功率密度和系统效率进行了比较。 最大化效率与成本 在电力电子领域，效率是一个很容易被概念化的术语——100%就是好，0%就是差。但这与你所占的角度有关，例如，对于数据中心而言，其整体电力效率近乎为零，也就是说从电网获取的所有电力几乎全部转换为刀片服务器、电源和冷却系统电子设备所产生的热量。但如果能充分利用这些热量为数据中心带来收入，效果就完全不同了，这也是在多数行业广为采纳的一种方法。所以如果你想在获取利益的同时节省成本和空间，真正的问题是如何在最大化生产力的同时最小化总功耗。 数据中心管理人员深知这一点，而且每天都需要考虑如何在提升数据处理能力和速度的同时尽可能降低电费，并从资本投资中获得回报。他们别无选择，只能增加服务器，即使会带来数千瓦的功耗，但可以计算出因此而得到的货币价值，并抵消掉额外的能源和资金成本。在工业上，如果需要增加一台100kw的电机，在产生更多净输出的同时，也会不可避免地增加电机驱动及供电压力。在所有行业中，电源本身没有增加任何商业价值，但又不可缺少，因此，电力供应中消耗的每一项运营费用和每一点功率损耗都被视为降低了利润。这无形中给电力电子制造商带来了更多压力，要求他们通过提高电力效率来降低损失。 效率是个相对的概念 能源转换效率似乎很容易定义，可以用公式表述为“输出功率除以输入功率，以百分比表示”，输出功率与输入功率之差即为能量转换过程中流失的热量。问题是，如果不考虑功率等级以及功率等级如何随操作环境和操作条件而变化，那么效率就仅仅是转换器之间的比较标准，而无其他任何意义。广义上来说，就是需要找到设备的最佳运行条件。转换器很少在接近最大额定功率的情况下工作，因此通常设计为在最大额定负载的50%到75%左右达到峰值效率，并有一定的曲度，使得零负载时的效率降到零。在轻负载时，转换器设计之间可能存在巨大的差异，因此在空转条件下，一个电源的功率损耗可能是另一个的几倍。如图1所示，在百分之五负载时，橙色线表示的转换器损耗是蓝色线的三倍多。因此，轻载损耗对总能量消耗有较大的影响。 
图1：同类电源转换器的轻载效率可能会有很大差异 幸运的是，有一些标准规定了各等级的效率曲线形状，例如具有不同级别的“80-PLUS计划”。“钛金”是最高级别，115V系统要求50%负载下的最低效率为94%，10%负载下的最低效率为90%；对于230V系统而言，两种情况下的效率分别为96%和90%（表1）。 
表1：此表列出了115V系统的80-PLUS效率标准（来源：维基百科） 这些限制很难实现。达到94%的钛金等级意味着减少四分之三的电力损失。由于电源的额定功率一定，这就意味着在效率仅提高14%的情况下，必须将功率损耗从250瓦降低到64瓦。通过对现有设计进行微调是无法做到的，因此需要重新考虑转换器的拓扑结构。通过采用同步驱动型MOSFET、PSFB和LLC谐振拓扑取代二极管，可以限制开关转换过程中的损耗，而且随着碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等新半导体技术的出现，还可以在没有功率损耗的情况下更快地进行开关。就连不起眼的主电源整流桥也已演变成混合排列的MOSFET，成为了功率因数校正电路的关键部分。虽然这些演变所要付出的成本都不低，但却不会带来“新风险”。此外，客户和电力供应制造商对更高功率的需求也呈螺旋式上升趋势，要求达到99％甚至更高。 小改进而要付出的代价 随着能源转换效率接近100%，难度呈指数级增加。从97%到98%意味着减少三分之一的损耗；98%到99%意味着再减少一半的损耗。在任何转换器设计中，将损耗减少50%都可能迫使完全从头开始，而且唯一的方法是使用更复杂的技术和更昂贵的组件，并通常以牺牲尺寸为代价。1kW的电源在效率为98%时的损耗只有20.4W。为了实现99%的效率和10.1W的损耗，需要付出多少代价？对于1kW的负载，减少1%的损耗就意味着节省10.1W，但需要如何设计呢？ 
图2：1kW能源转换器的损耗与效率 当然，单就节能来看，所有的付出都是值得的，但我们看问题要从整体出发，不能只局限于一个方面。Rocky Mountain Power公司的数据表明，美国工业用电价格约为每千瓦时7美分。如果1kW电源在正常运行时的使用寿命是5年或约44000小时，则减少10.1W的损耗可节省约31美元，然而负载的电源所增加的成本却超过3100美元。更换电源会带来购置成本、采购和鉴定间接费用、安装成本，以及与数百个组件生产、包装和运输相关的碳足迹问题、旧设备处理成本，还有新产品的功能风险。因此如果原电源仍能可靠运行，31美元的节省也就毫无意义了。追求高效率这件事情自身恐怕会是一项昂贵的事业。 在上面，我们分析了追求能源转换效率在节能、采集/处理成本和机柜/工厂车间利用率中所占百分比的实际成本。接下来，我们将介绍功率密度指标的重要性以及数据中心电源转换器由负载引起的发热问题。 管理温度以提升功率密度 也许提高能源转换器的效率以降低内部温度和提高计算寿命/可靠性是值得的，但这只有在外壳和散热系统保持不变的情况下才有效。过去的经验法则告诉我们，温度每升高10°C，电子器件的寿命就会缩短一半，而根据可靠性手册可知，温度升高10°C，半导体和电容器故障率将分别增加25%和50%左右。然而，现代电子产品都非常可靠耐用，因而只有在很长的使用寿命和高度可靠的数字中才会体现出这样的百分比变化。例如，对于数据中心，电力电子设备冷却系统一直被设定为保持21°C左右的理想入口温度，但英特尔和其他公司的研究表明，这一温度可以提高，并且对系统可靠性影响不明显。APC的一份报告中引用了美国采暖、制冷与空调工程师协会（ASHRAE）的预测，显示在入口温度升高20至32°C（68至90°F）时，整体设备故障率仅增加1.5倍（图1）。数据中心的温度每升高1摄氏度，相关的冷却成本就会降低约7%，因此，减小机箱尺寸并允许包括电源在内的设备能在更高温下运行，可以在释放机架空间的同时真正节约成本。 
图1：入口温度与设备可靠性关系曲线（来源：ASHRAE） 另一个推动小型电源在更高温下运行的因素是采用由SiC或GaN材料制成的WBG半导体。这些器件的额定工作温度比硅类（特别是碳化硅）产品高得多，其芯片可以承受高达几百摄氏度的温度。 功率密度指标的重要性 能源转换设备供应商可能会为了在非常特定的条件下声称的效率而相互竞争，但对最终用户来说，重要的是其生产效率及盈利能力。通过消耗更少的能源节省几美元是一件好事，但通过增加机柜或机架中的设备密度以及提高每立方英尺的生产率所获得的收益可能更有吸引力。数据中心和制造业的建筑面积有一种“美元密度”的说法，这是实现收入所必须达到的一项货币价值，以千美元/平方英尺为单位，因此缩小电子设备的规模，以提供更高的生产空间，才能获得真正的收益。如果这意味着在需要扩展时不再急需采购完整的额外机柜，那么从短期和长期来看都将节省更多的成本。 
图2：工厂车间的美元价值 通过相关的能源转换器实现更高的电子密度，正促使系统架构师将“功率密度”视为一个越来越重要的指标。然而，与端到端电气效率不同，完整系统的功率密度非常难以比较，因为需要考虑的因素太多。比如，在典型工业机柜中，可能有开关设备、连接器、安装在机箱上的电磁干扰（EMI）滤波器、产生中间电压的AC/DC转换器、大电流母线、负载处的DC/DC转换器、风扇及其自身的电源和安装硬件，甚至还包括空调机组。在控制柜中，负载可能是外部的，例如电动机。在这种情况下，能源转换设备的体积占整个空间的很大一部分，任何节省下来的空间都可用于安装更多的控制电子设备。不过，因为添加设备会消耗更多的功率，所以收益也会减少。控制柜还可能受到要求使用标准化硬件（如用于设备安装的DIN导轨）带来的限制，同时供应商推出的产品越来越窄，而输入/输出连接器尺寸的可用性也往往定义了最低要求。30W AC/DC的宽度现在只有21mm左右，而480W部件的尺寸可以达到48mm宽x124mm高。机柜内的冷却系统（如果有）可能只是由入口温度不确定的风扇组成，因此能源转换器的额定值往往只能针对在没有底盘散热的高温气流中运行的前提条件来确定。这使得能源转换密度的值相对较低，每25立方毫米约为10到20瓦。 数据中心电源转换器由负载引起的发热问题 在数据中心，电源供应的体系结构对功率密度有着很大的影响。最新的趋势是采用48V背板总线，每个刀片服务器都带有负载点（POL）转换器，可将电压降低到IC级，通常低于1V。单独来看，POL的功率密度可以达到每平方厘米15kW以上，但需要大量的散热或气体流通。48V总线可以采用机架式AC/DC转换器，但功率密度可能只有每平方厘米310W左右。或者，可从外部中央电源提供380V直流电，并在机架中转换为48V。采用直流电时，没有交流整流和功率因数校正电路的损耗，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（冷却足够的情况下）。另一个优势是，与每个机架中的AC/DC不同，这种方案可以集中储存用于应对功率损耗或断电的电力，而机架中的AC/DC需要配备大型的内部储能电容器，占用了宝贵的空间。 与工业制造机柜不同，数据中心的负载是刀片服务器本身，因此每个机架内部的功率损耗都可能超过10kW。这就要求通过严格控制的高速气流和较低的入口温度进行主动冷却。对于能源转换器而言，这是个好消息，因为能源转换器的效率很高，其功率损耗只占整个服务器的一小部分。这样就可以在几乎没有外部散热的情况下使用POL和总线转换器，从而保持较高的整体功率密度。实际上，这里的一大主要考虑因素就是使刀片服务器产生的热量远离能源转换器。 WBG技术带来更高的功率密度 能源转换器设计人员可以选择通过降低开关速度来提高效率，但这会导致无源元件以及壳体尺寸变大。复杂的谐振变换器拓扑结构可以实现高频、低损耗运行，但是SiC和GaN又凭借其高速、低损耗的特性再次改变了游戏规则。它们能够在更高的温度下可靠地工作，进一步减小转换器封装尺寸，将功率密度值推向新高。 结论：为价值而设计 在提高功率密度和提高功率效率之间适当进行成本权衡，可确保设计师为客户提供超高价值的设计。除非能缩小产品尺寸为直接增加利润的设备留出空间，否则一味的追求提高能源转换效率可能会成为一场收益递减的游戏。功率密度是一个特别有用的转换器指标，但在比较时应非常仔细以将系统中的所有元素都包括在内，并且需注意制造业机柜和数据中心服务器机架之间会有很大差异。当你为价值而设计时，需多方权衡作出明智的选择。 文章来源：贸泽电子 |
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