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工控机箱在电子电力领域的功率密度与功率效率

发布时间:2019-11-05来源:迈肯思关键词标签:

用手转动生产力表盘

罗伯特·亨特利(Robert Huntley),Mouser电子

功率转换效率是一项重要指标,模块制造商相互竞争,以在经过精心选择的条件下显示出小数点的提高,以及加上95%的数字。越来越多的复杂转换拓扑用于获得这些数字,例如相移全桥(PSFB)和LLC转换器。二极管已被金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)取代,以尽可能降低损耗,宽带隙(WBG)器件因其惊人的开关速度而被誉为未来的首选半导体。

但是,最终用户要放眼全局,并更多地关注他们的整个系统或流程的效率,以最大程度地实现利润,同时遵守环境义务。他们了解到,在考虑所有使用寿命成本的情况下,专注于逐步减少功率转换过程中一小部分的损耗并不一定会导致可观的总体成本节省或环境效益。另一方面,将更多的功率转换设备包装到更小的设备中体积(增加其“功率密度”)可以更有效地利用工厂或数据中心的占地面积,并以现有的间接费用产生更多的产出。

本文研究了在提高能源密度和随之而来的系统效率提升方面,追逐功率转换效率在节能方面的实际成本,购置/处置成本以及机柜/地板空间利用率的实际成本。

最大化效率同时最小化成本

在电力电子领域,效率是一个易于概念化的术语-100%等于好,零%等于坏,对吗?但是,您必须仔细设置参考点:数据中心的总体电效率接近于零-几乎从网格中汲取的所有电能都将转换为服务器刀片,其电源以及冷却系统中的电子设备中的热量。这样,将电力的美元价值转换为美元收入可能会更有效,大多数行业也是如此。您别无所求,因此,如果您想在赚钱的同时节省成本和星球,那么真正的问题是如何最大程度地减少总功率消耗,同时最大程度地提高生产率。

数据中心经理知道这一点,并面临每日压力,以提高数据处理能力和速度,同时保持尽可能低的电费并从资本投资中获得回报。他们别无选择,只能以耗散许多千瓦的增量添加服务器,但是可以计算增加容量的货币价值,并抵消额外的能源和资本成本。在工业中,如果需要另一台100kW电动机,则将产生更多可出售的输出,并且电动机驱动器及其电源是不可避免的开销。在所有行业中,电源都是必不可少的邪恶因素,它们本身不会增加任何商业价值,因此,将其中的每项运营费用和功耗都视为​​降低了底线。因此,聚光灯

效率是相对的

功率转换效率似乎很容易定义-我们都可以引用公式“功率输出除以功率输入,以百分比表示”,两者之差作为功率转换器中的热量散发。问题在于,如果不引用功率水平以及功率水平随操作和环境条件的变化,效率就毫无意义,而将“效率”仅作为转换器之间的比较指标。然后以“创意”规格开放,挑选出可以在最佳光线下显示设备的最佳位置。很少有转换器在其最大额定功率附近工作,因此效率通常设计为在某些曲线下达到最大额定负载的50%到75%时达到峰值,在零负载时必须降至零效率。在轻负载下图1)。负载为5%时,以橙色线表示的转换器的耗散量是蓝色线的三倍以上。因此,轻载损失对总的能量消耗有很大的影响。

在其他类似的功率转换器之间,轻负载时的效率差异很大。

图1:在其他类似的电源转换器之间,轻负载时的效率差异很大。(来源:Mouser)

幸运的是,有一些标准可以设置效率曲线的形状,例如具有不同级别的“ 80-PLUS计划”。“钛”是最高的,在50%的负载下要求最低94%的效率,在10%的负载下要求最低90%的效率。这些用于115V系统;230V的数字分别为96%和90%(表1)。

下表显示了115V系统的80-PLUS主动目标。

表1:该表显示了115V系统的80-PLUS主动目标。(来源:维基百科)

这些限制很难实现。达到94%的钛含量意味着将电源损失减少四分之三。效率仅提高14%,额定功率的千瓦就必须将损耗从250W降低到64W。这不能通过对现有设计进行微调来实现,因此必须对转换器拓扑进行彻底的重新思考。不再使用二极管来支持同步驱动的MOSFET,PSFB和LLC谐振拓扑被用来限制开关转换期间的耗散,并且出现了新的半导体技术,例如碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN),可以更快地进行开关而没有耗散罚款。甚至市电的低桥整流器也已演变为MOSFET的混合布置,它们也构成了必要的功率因数校正电路的一部分。所有这些都不是便宜的,而且没有“新风险”。然而,客户和电源制造商的供求关系却在不断提高,要求提高效率,达到99%甚至更高。

小改进的成本

随着功率转换效率接近100%,难度成倍增加。从97%到98%意味着损失减少了三分之一;98%至99%的装置减小由损失进一步一半。在任何转换器设计中将损耗降低50%可能会迫使从头开始完全重启,而这是使用更复杂的技术和更昂贵的组件的唯一途径,而这通常是以尺寸为代价的。1kW电源仅以98%的效率耗散20.4W。付出巨大的努力才能使损失达到99%和10.1W的损失有多少?考虑一下负载为1kW的情况,将负载降低1%,您可以节省10.1W。这需要多少设计工作?

1kW电源转换器中的损耗与效率的关系。

图3: 1kW电源转换器中的损耗与效率的关系。(来源:Mouser)

当然,所有节能措施都是值得的,但是您需要放眼大局。据落基山电力公司(Rocky Mountain Power Company)称,在美国,为工业用电支付的平均价格约为每千瓦时7美分。如果1kW的电源寿命为100年正常运行时间下的5年或约44,000小时,则减少10.1W可以节省约31美元,而负载电源的成本则超过3,100美元。更换电源具有购置成本,购买和鉴定费用,安装成本以及通常与数百个组件,包装和运输相关的碳足迹。然后是旧设备的处置成本,以及新的,先进产品的功能风险。假设可靠性仍然足够,那么与保持上一代电源相比,很难看出这与31美元的节省额相抵消。出于自身的原因追求高效率可能是一项昂贵的业务。

管理温度以实现功率密度

也许有必要提高功率转换器的效率以降低内部温度并提高计算出的寿命/可靠性,但这仅在外壳和散热保持不变的情况下才有效。过去的经验法则是,每升高10°C,电子产品的寿命就会减少两倍,而根据可靠性手册,在10°C下,半导体的故障率将增加约25%,电容器的故障率将增加约50%上升。但是,现代电子产品极其可靠且经久耐用,因此,它们的使用寿命和高可靠性指标都是百分百变化的。过去,功率电子设备的冷却已设置为在数据中心内维持理想的入口温度约21°C,例如,但是Intel和其他公司的研究表明,在不显着影响系统可靠性的情况下,可以增加此数量。APC的一份报告引用了美国供热和空调工程师协会(ASHRAE)的预测,当入口温度升高20至32°C(68至90°F)时,总体设备故障率仅增加1.5倍(图4)。数据中心温度每升高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设备(包括电源)运行得更热,可以真正节省成本,同时释放机架空间。

设备可靠性与进气温度有关。

图4:进气温度对设备的可靠性。(来源ASHRAE)

较小电源运行温度更高的另一个推动因素是使用以SiC或GaN材料制成的WBG半导体。这些器件的工作温度额定值比硅类型(尤其是SiC)高得多,允许的芯片温度高达几百摄氏度。

功率密度指标的重要性

业内功率转换设备的竞争供应商可能会在非常特定的条件下互相争夺效率,但对最终用户而言重要的是生产率及其过程的盈利能力。通过减少能耗来节省几美元是一件好事,但是通过增加机柜或机架中设备的密度以及提高每立方英尺的生产率而获得的美元可能更具吸引力。数据中心和制造业的建筑面积具有“美元密度”,这是实现收入所必须达到的货币价值,以数千美元/平方英尺为单位,因此,缩小电子设备的尺寸以提供更多的生产空间是真正的收益。如果这意味着在需要扩展时推迟提供完整的额外机柜,

工厂占地面积有1美元的价值。

图5:工厂占地面积为1美元。(来源:Mouser)

通过相关的功率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”视为越来越重要的指标。但是,与端到端的电效率不同,整个系统的功率密度不容易比较,您包括哪些内容?在典型的工业机柜中,可能有开关设备,连接器,安装在机箱中的电磁干扰(EMI)滤波器,产生中压的AC / DC转换器,大电流母线,负载处的DC / DC转换器,风扇及其局部自己的电源和安装硬件。您甚至可能包括空调装置。在控制柜中,负载可能是外部负载,也许是电动机。在这种情况下,功率转换设备的体积占整个空间的很大一部分,任何尺寸的节省都可以包含更多的控制电子设备。但是,返回值会减少,因为添加的额外设备需要更多的电源。控制柜可能还受到使用标准化硬件(例如用于设备安装的DIN导轨)的要求的限制,供应商推出了越来越窄的产品,而输入/输出连接器尺寸的实用性通常定义了最小值。现在30W AC / DC的宽度减小到约21mm,而480W部件的宽度可以在48mm左右乘以124mm高。机柜中的冷却(如果有)可能仅由入口温度不确定的风扇组成,因此,功率转换器往往仅在高温气流下运行,而没有机箱散热片。这导致功率转换密度的值相对较低,每立方25mm可能为10至20W。

数据中心电源转换器因负载而发热

在数据中心中,电源供应的体系结构会严重影响电源密度。最新趋势是朝着48V背板总线发展,每个服务器刀片上都带有负载点(POL)转换器,可将电压降低至IC电平,通常低于1V。孤立地看,POL可以具有惊人的功率密度(每平方厘米超过15kW),但是需要大量的散热片或气流才能生存。48V总线可以来自机架式AC / DC转换器,该转换器的功率密度可能仅为每平方厘米约310W。或者,可以从外部中央电源提供380VDC,并在机架中转换为48V。有了直流电源,没有交流整流和功率因数校正电路的损耗,该转换器可以非常高效,并且具有每平方厘米超过15kW的高功率密度(具有足够的冷却能力)。另一个优势是,与每个机架中的AC / DC不同,可以集中存储用于电源损耗或断电的能量存储,而AC / DC具有大的内部储能电容器的架空结构,占用了宝贵的空间。

与工业制造机柜不同,数据中心负载是服务器刀片本身,因此每个机架内部的耗散功率均超过10kW。这要求在入口温度较低时通过严格控制的高速气流进行主动冷却。对于功率转换器而言,这是个好消息,因为功率转换器的效率很高,仅消耗了一部分刀片的功率。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,主要考虑因素是使刀片产生的热量远离功率转换器。

WBG技术可提供更高的功率密度

电源转换器设计人员始终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变大,从而导致壳体尺寸变大。复杂的谐振转换器拓扑允许高频率运行且损耗低,但是SiC和GaN半导体的出现又凭借其高速和低损耗的组合再次改变了游戏规则。它们在较高温度下工作的能力可靠地允许转换器封装尺寸进一步减小,从而将功率密度值推高。

结论:为价值而设计

在提高的功率密度和更好的功率效率之间适当权衡取舍和成本,可确保设计人员为客户提供最高价值的设计。除非改进导致产品缩小,否则追逐功率转换效率百分比可能会成为收益递减的游戏,从而为直接增加利润的设备留出空间。功率密度是转换器的有用指标,但应仔细比较以包括系统中的所有元素,并且可以预期在制造业机柜和数据中心服务器机架之间会有很大差异。在设计价值时明智地选择。

  深圳市迈肯思科技有限公司是一家集服务器系统设备的研发、生产、销售、和系统集成为一体的高科技企业。主营产品有: 深圳工控机箱工控机箱工控机箱定做工控机箱订制深圳服务机箱工业机箱1U工控机箱1.5U工控机箱2U工控机箱3U工控机箱4U工控机箱6U工控机箱7U工控机箱服务器机箱服务器机箱定做服务器机箱制作1U服务器机箱2U服务器机箱3U服务器机箱4U服务器机箱 ITX机箱NAS机箱带屏机箱挖矿机箱壁挂式机箱多硬盘机箱带屏热插拔机箱热插拔机箱OEM机箱网络机箱dvr监控机箱1u机箱2u机箱3u机箱4u机箱等各种箱体,控制台等产品。

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