【導(dǎo)讀】能量轉(zhuǎn)換效率是一個(gè)重要的指標(biāo)，各制造商摩拳擦掌希望在95%的基礎(chǔ)上再有所提升。為了實(shí)現(xiàn)這一提升，開始逐漸采用越來越復(fù)雜的轉(zhuǎn)換拓?fù)?，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(guān)速度被譽(yù)為未來的半導(dǎo)體業(yè)明珠。
然而，最終用戶要放眼全局，更關(guān)心的是整個(gè)系統(tǒng)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(dāng)考慮到整個(gè)壽命周期成本時(shí)，逐步減少能量轉(zhuǎn)換過程中的小部分損失并不一定會帶來總體成本或環(huán)境效益的大幅提升。另一方面，將更多能量轉(zhuǎn)換設(shè)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(shù)據(jù)中心的占地面積，并以現(xiàn)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(zhuǎn)換效率在節(jié)能、采集/處理成本和機(jī)柜/工廠車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(tǒng)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——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(shù)據(jù)中心而言，其整體電力效率近乎為零，也就是說從電網(wǎng)獲取的所有電力幾乎全部轉(zhuǎn)換為刀片服務(wù)器、電源和冷卻系統(tǒng)電子設(shè)備所產(chǎn)生的熱量。但如果能充分利用這些熱量為數(shù)據(jù)中心帶來收入，效果就完全不同了，這也是在多數(shù)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(jié)省成本和空間，真正的問題是如何在最大化生產(chǎn)力的同時(shí)最小化總功耗。
數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)處理能力和速度的同時(shí)盡可能降低電費(fèi)，并從資本投資中獲得回報(bào)。他們別無選擇，只能增加服務(wù)器，即使會帶來數(shù)千瓦的功耗，但可以計(jì)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(jī)，在產(chǎn)生更多凈輸出的同時(shí)，也會不可避免地增加電機(jī)驅(qū)動(dòng)及供電壓力。在所有行業(yè)中，電源本身沒有增加任何商業(yè)價(jià)值，但又不可缺少，因此，電力供應(yīng)中消耗的每一項(xiàng)運(yùn)營費(fèi)用和每一點(diǎn)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(gè)相對的概念
能源轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(huán)境和操作條件而變化，那么效率就僅僅是轉(zhuǎn)換器之間的比較標(biāo)準(zhǔn)，而無其他任何意義。廣義上來說，就是需要找到設(shè)備的最佳運(yùn)行條件。轉(zhuǎn)換器很少在接近最大額定功率的情況下工作，因此通常設(shè)計(jì)為在最大額定負(fù)載的50%到75%左右達(dá)到峰值效率，并有一定的曲度，使得零負(fù)載時(shí)的效率降到零。在輕負(fù)載時(shí)，轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)之間可能存在巨大的差異，因此在空轉(zhuǎn)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(fù)載時(shí)，橙色線表示的轉(zhuǎn)換器損耗是藍(lán)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(zhuǎn)換器的輕載效率可能會有很大差異
幸運(yùn)的是，有一些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了各等級的效率曲線形狀，例如具有不同級別的“80-PLUS計(jì)劃”。“鈦金”是最高級別，115V系統(tǒng)要求50%負(fù)載下的最低效率為94%，10%負(fù)載下的最低效率為90%；對于230V系統(tǒng)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(tǒng)的80-PLUS效率標(biāo)準(zhǔn)（來源：維基百科）
這些限制很難實(shí)現(xiàn)。達(dá)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(xiàn)有設(shè)計(jì)進(jìn)行微調(diào)是無法做到的，因此需要重新考慮轉(zhuǎn)換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。通過采用同步驅(qū)動(dòng)型MOSFET、PSFB和LLC諧振拓?fù)淙〈O管，可以限制開關(guān)轉(zhuǎn)換過程中的損耗，而且隨著碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等新半導(dǎo)體技術(shù)的出現(xiàn)，還可以在沒有功率損耗的情況下更快地進(jìn)行開關(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(shù)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，但卻不會帶來“新風(fēng)險(xiǎn)”。此外，客戶和電力供應(yīng)制造商對更高功率的需求也呈螺旋式上升趨勢，要求達(dá)到99％甚至更高。
小改進(jìn)而要付出的代價(jià)
隨著能源轉(zhuǎn)換效率接近100%，難度呈指數(shù)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(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)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(fù)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(xiàn)99%的效率和10.1W的損耗，需要付出多少代價(jià)？對于1kW的負(fù)載，減少1%的損耗就意味著節(jié)省10.1W，但需要如何設(shè)計(jì)呢？
圖2：1kW能源轉(zhuǎn)換器的損耗與效率
當(dāng)然，單就節(jié)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(fā)，不能只局限于一個(gè)方面。Rocky Mountain Power公司的數(shù)據(jù)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(yùn)行時(shí)的使用壽命是5年或約44000小時(shí)，則減少10.1W的損耗可節(jié)省約31美元，然而負(fù)載的電源所增加的成本卻超過3100美元。更換電源會帶來購置成本、采購和鑒定間接費(fèi)用、安裝成本，以及與數(shù)百個(gè)組件生產(chǎn)、包裝和運(yùn)輸相關(guān)的碳足跡問題、舊設(shè)備處理成本，還有新產(chǎn)品的功能風(fēng)險(xiǎn)。因此如果原電源仍能可靠運(yùn)行，31美元的節(jié)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(xiàng)昂貴的事業(yè)。
精彩內(nèi)容未完待續(xù)......
作者簡介
Robert Huntley是一位具有HND資格認(rèn)證的工程師和技術(shù)作家。他擁有電信、導(dǎo)航系統(tǒng)和嵌入式應(yīng)用工程等專業(yè)背景，代表貿(mào)澤電子撰寫了各種技術(shù)和實(shí)踐文章。
本文轉(zhuǎn)載自貿(mào)澤電子。
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