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功率密度与效率:如何权衡(一)

2019/11/6 11:24:40     

原创深度 | 功率密度与效率:如何权衡(一)

原创: Robert Huntley  , 贸泽电子

 

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。

 

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)。

 

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?

 

 

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。


精彩内容未完待续......

作者简介

 

Robert Huntley是一位具有HND资格认证的工程师和技术作家。他拥有电信、导航系统和嵌入式应用工程等专业背景,代表贸泽电子撰写了各种技术和实践文章。

 

原文链接:

https://www.mouser.com/applications/power-density-vs-efficiency/


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