【導讀】能量轉換效率是一個重要的指標，各制造商摩拳擦掌希望在95%的基礎上再有所提升。為了實現這一提升，開始逐漸采用越來越復雜的轉換拓撲，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速度被譽為未來的半導體業明珠。
然而，最終用戶要放眼全局，更關心的是整個系統或流程的效率，即在履行環保義務的同時謀求利潤最大化。他們明白，當考慮到整個壽命周期成本時，逐步減少能量轉換過程中的小部分損失并不一定會帶來總體成本或環境效益的大幅提升。另一方面，將更多能量轉換設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據中心的占地面積，并以現有的管理成本創造出更多的價值。
本文分析了追求能源轉換效率在節能、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效率進行了比較。
最大化效率與成本
在電力電子領域，效率是一個很容易被概念化的術語——100%就是好，0%就是差。但這與你所占的角度有關，例如，對于數據中心而言，其整體電力效率近乎為零，也就是說從電網獲取的所有電力幾乎全部轉換為刀片服務器、電源和冷卻系統電子設備所產生的熱量。但如果能充分利用這些熱量為數據中心帶來收入，效果就完全不同了，這也是在多數行業廣為采納的一種方法。所以如果你想在獲取利益的同時節省成本和空間，真正的問題是如何在最大化生產力的同時最小化總功耗。
數據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據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，只能增加服務器，即使會帶來數千瓦的功耗，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。在工業上，如果需要增加一臺100kw的電機，在產生更多凈輸出的同時，也會不可避免地增加電機驅動及供電壓力。在所有行業中，電源本身沒有增加任何商業價值，但又不可缺少，因此，電力供應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境和操作條件而變化，那么效率就僅僅是轉換器之間的比較標準，而無其他任何意義。廣義上來說，就是需要找到設備的最佳運行條件。轉換器很少在接近最大額定功率的情況下工作，因此通常設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，轉換器設計之間可能存在巨大的差異，因此在空轉條件下，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：同類電源轉換器的輕載效率可能會有很大差異
幸運的是，有一些標準規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系統的80-PLUS效率標準（來源：維基百科）
這些限制很難實現。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。通過對現有設計進行微調是無法做到的，因此需要重新考慮轉換器的拓撲結構。通過采用同步驅動型MOSFET、PSFB和LLC諧振拓撲取代二極管，可以限制開關轉換過程中的損耗，而且隨著碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等新半導體技術的出現，還可以在沒有功率損耗的情況下更快地進行開關。就連不起眼的主電源整流橋也已演變成混合排列的MOSFET，成為了功率因數校正電路的關鍵部分。雖然這些演變所要付出的成本都不低，但卻不會帶來“新風險”。此外，客戶和電力供應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
隨著能源轉換效率接近100%，難度呈指數級增加。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。在任何轉換器設計中，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雜的技術和更昂貴的組件，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%的損耗就意味著節省10.1W，但需要如何設計呢？
圖2：1kW能源轉換器的損耗與效率
當然，單就節能來看，所有的付出都是值得的，但我們看問題要從整體出發，不能只局限于一個方面。Rocky Mountain Power公司的數據表明，美國工業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44000小時，則減少10.1W的損耗可節省約31美元，然而負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、采購和鑒定間接費用、安裝成本，以及與數百個組件生產、包裝和運輸相關的碳足跡問題、舊設備處理成本，還有新產品的功能風險。因此如果原電源仍能可靠運行，31美元的節省也就毫無意義了。追求高效率這件事情自身恐怕會是一項昂貴的事業。
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作者簡介
Robert Huntley是一位具有HND資格認證的工程師和技術作家。他擁有電信、導航系統和嵌入式應用工程等專業背景，代表貿澤電子撰寫了各種技術和實踐文章。
本文轉載自貿澤電子。
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