功率密度與效率：如何權(quán)衡

能量轉(zhuǎn)換效率是一個重要的指標(biāo)，各制造商摩拳擦掌希望在95%的基礎(chǔ)上再有所提升。為了實現(xiàn)這一提升，開始逐漸采用越來越復(fù)雜的轉(zhuǎn)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(guān)速度被譽為未來的半導(dǎo)體業(yè)明珠。

然而，最終用戶要放眼全局，更關(guān)心的是整個系統(tǒng)或流程的效率，即在履行環(huán)保義務(wù)的同時謀求利潤最大化。他們明白，當(dāng)考慮到整個壽命周期成本時，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(tǒng)效率進行了比較。

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)力的同時最小化總功耗。

數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(wù)器，即使會帶來數(shù)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(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，也會不可避免地增加電機驅(qū)動及供電壓力。在所有行業(yè)中，電源本身沒有增加任何商業(yè)價值，但又不可缺少，因此，電力供應(yīng)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(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(zhuǎn)換器設(shè)計之間可能存在巨大的差異，因此在空轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器的輕載效率可能會有很大差異

幸運的是，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計劃”。“鈦金”是最高級別，115V系統(tǒng)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(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）

這些限制很難實現(xiàn)。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(xiàn)有設(shè)計進行微調(diào)是無法做到的，因此需要重新考慮轉(zhuǎn)換器的拓撲結(jié)構(gòu)。通過采用同步驅(qū)動型MOSFET、PSFB和LLC諧振拓撲取代二極管，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”。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，要求達到99％甚至更高。

小改進而要付出的代價

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。1kW的電源在效率為98%時的損耗只有20.4W。為了實現(xiàn)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(jié)省10.1W，但需要如何設(shè)計呢？

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)，不能只局限于一個方面。Rocky Mountain Power公司的數(shù)據(jù)表明，美國工業(yè)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(jié)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(shù)百個組件生產(chǎn)、包裝和運輸相關(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。因此如果原電源仍能可靠運行，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昂貴的事業(yè)。

管理溫度以提升功率密度

也許提高能源轉(zhuǎn)換器的效率以降低內(nèi)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(tǒng)保持不變的情況下才有效。過去的經(jīng)驗法則告訴我們，溫度每升高10°C，電子器件的壽命就會縮短一半，而根據(jù)可靠性手冊可知，溫度升高10°C，半導(dǎo)體和電容器故障率將分別增加25%和50%左右。然而，現(xiàn)代電子產(chǎn)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(shù)字中才會體現(xiàn)出這樣的百分比變化。例如，對于數(shù)據(jù)中心，電力電子設(shè)備冷卻系統(tǒng)一直被設(shè)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(tǒng)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(diào)工程師協(xié)會（ASHRAE）的預(yù)測，顯示在入口溫度升高20至32°C（68至90°F）時，整體設(shè)備故障率僅增加1.5倍(圖3)。數(shù)據(jù)中心的溫度每升高1攝氏度，相關(guān)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(nèi)的設(shè)備能在更高溫下運行，可以在釋放機架空間的同時真正節(jié)約成本。

圖3: 入口溫度與設(shè)備可靠性關(guān)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(dǎo)體。這些器件的額定工作溫度比硅類（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(biāo)的重要性

能源轉(zhuǎn)換設(shè)備供應(yīng)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(chǎn)效率及盈利能力。通過消耗更少的能源節(jié)省幾美元是一件好事，但通過增加機柜或機架中的設(shè)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(shù)據(jù)中心和制造業(yè)的建筑面積有一種“美元密度”的說法，這是實現(xiàn)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(shè)備的規(guī)模，以提供更高的生產(chǎn)空間，才能獲得真正的收益。如果這意味著在需要擴展時不再急需采購?fù)暾念~外機柜，那么從短期和長期來看都將節(jié)省更多的成本。

通過相關(guān)的能源轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)更高的電子密度，正促使系統(tǒng)架構(gòu)師將“功率密度”視為一個越來越重要的指標(biāo)。然而，與端到端電氣效率不同，完整系統(tǒng)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，可能有開關(guān)設(shè)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(zhuǎn)換器、大電流母線、負載處的DC/DC轉(zhuǎn)換器、風(fēng)扇及其自身的電源和安裝硬件，甚至還包括空調(diào)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(zhuǎn)換設(shè)備的體積占整個空間的很大一部分，任何節(jié)省下來的空間都可用于安裝更多的控制電子設(shè)備。不過，因為添加設(shè)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(biāo)準(zhǔn)化硬件（如用于設(shè)備安裝的DIN導(dǎo)軌）帶來的限制，同時供應(yīng)商推出的產(chǎn)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(xiàn)在只有21mm左右，而480W部件的尺寸可以達到48mm寬x124mm高。機柜內(nèi)的冷卻系統(tǒng)（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(zhuǎn)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(zhuǎn)換密度的值相對較低，每25立方毫米約為10到20瓦。

數(shù)據(jù)中心電源轉(zhuǎn)換器由負載引起的發(fā)熱問題

在數(shù)據(jù)中心，電源供應(yīng)的體系結(jié)構(gòu)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(wù)器都帶有負載點（POL）轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器，但功率密度可能只有每平方厘米310W左右?；蛘撸蓮耐獠恐醒腚娫刺峁?80V直流電，并在機架中轉(zhuǎn)換為48V。采用直流電時，沒有交流整流和功率因數(shù)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(yōu)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(yīng)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(nèi)部儲能電容器，占用了寶貴的空間。

與工業(yè)制造機柜不同，數(shù)據(jù)中心的負載是刀片服務(wù)器本身，因此每個機架內(nèi)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(zhuǎn)換器而言，這是個好消息，因為能源轉(zhuǎn)換器的效率很高，其功率損耗只占整個服務(wù)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(zhuǎn)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(wù)器產(chǎn)生的熱量遠離能源轉(zhuǎn)換器。

WBG技術(shù)帶來更高的功率密度

能源轉(zhuǎn)換器設(shè)計人員可以選擇通過降低開關(guān)速度來提高效率，但這會導(dǎo)致無源元件以及殼體尺寸變大。復(fù)雜的諧振變換器拓撲結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)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(guī)則。它們能夠在更高的溫度下可靠地工作，進一步減小轉(zhuǎn)換器封裝尺寸，將功率密度值推向新高。

結(jié)論：為價值而設(shè)計

在提高功率密度和提高功率效率之間適當(dāng)進行成本權(quán)衡，可確保設(shè)計師為客戶提供超高價值的設(shè)計。除非能縮小產(chǎn)品尺寸為直接增加利潤的設(shè)備留出空間，否則一味的追求提高能源轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器指標(biāo)，但在比較時應(yīng)非常仔細以將系統(tǒng)中的所有元素都包括在內(nèi)，并且需注意制造業(yè)機柜和數(shù)據(jù)中心服務(wù)器機架之間會有很大差異。當(dāng)你為價值而設(shè)計時，需多方權(quán)衡作出明智的選擇。

審核編輯：郭婷