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功率密度與效率:如何權(quán)衡(二)
發(fā)布時(shí)間:2019-11-13 來(lái)源:Robert Huntley 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】在上一篇文章“功率密度與效率:如何權(quán)衡(一)”中,我們分析了追求能源轉(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。本文中,我們將介紹功率密度指標(biāo)的重要性以及數(shù)據(jù)中心電源轉(zhuǎn)換器由負(fù)載引起的發(fā)熱問(wèn)題。
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(jì)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(guò)去的經(jīng)驗(yàn)法則告訴我們,溫度每升高10°C,電子器件的壽命就會(huì)縮短一半,而根據(jù)可靠性手冊(cè)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(zhǎng)的使用壽命和高度可靠的數(shù)字中才會(huì)體現(xiàn)出這樣的百分比變化。例如,對(duì)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(duì)系統(tǒng)可靠性影響不明顯。APC的一份報(bào)告中引用了美國(guó)采暖、制冷與空調(diào)工程師協(xié)會(huì)(ASHRAE)的預(yù)測(cè),顯示在入口溫度升高20至32°C(68至90°F)時(shí),整體設(shè)備故障率僅增加1.5倍(圖1)。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(huì)降低約7%,因此,減小機(jī)箱尺寸并允許包括電源在內(nèi)的設(shè)備能在更高溫下運(yùn)行,可以在釋放機(jī)架空間的同時(shí)真正節(jié)約成本。
圖1:入口溫度與設(shè)備可靠性關(guān)系曲線(來(lái)源:ASHRAE)
另一個(gè)推動(dòng)小型電源在更高溫下運(yùn)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(dá)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(huì)為了在非常特定的條件下聲稱的效率而相互競(jìng)爭(zhēng),但對(duì)最終用戶來(lái)說(shuō),重要的是其生產(chǎn)效率及盈利能力。通過(guò)消耗更少的能源節(jié)省幾美元是一件好事,但通過(guò)增加機(jī)柜或機(jī)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(shuō)法,這是實(shí)現(xiàn)收入所必須達(dá)到的一項(xiàng)貨幣價(jià)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(kuò)展時(shí)不再急需采購(gòu)?fù)暾念~外機(jī)柜,那么從短期和長(zhǎng)期來(lái)看都將節(jié)省更多的成本。
圖2:工廠車間的美元價(jià)值
通過(guò)相關(guān)的能源轉(zhuǎn)換器實(shí)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(gè)越來(lái)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?yàn)樾枰紤]的因素太多。比如,在典型工業(yè)機(jī)柜中,可能有開關(guān)設(shè)備、連接器、安裝在機(jī)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(fù)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(jī)組。在控制柜中,負(fù)載可能是外部的,例如電動(dòng)機(jī)。在這種情況下,能源轉(zhuǎn)換設(shè)備的體積占整個(gè)空間的很大一部分,任何節(jié)省下來(lái)的空間都可用于安裝更多的控制電子設(shè)備。不過(guò),因?yàn)樘砑釉O(shè)備會(huì)消耗更多的功率,所以收益也會(huì)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(lái)的限制,同時(shí)供應(yīng)商推出的產(chǎn)品越來(lái)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(dá)到48mm寬x124mm高。機(jī)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(duì)在沒(méi)有底盤散熱的高溫氣流中運(yùn)行的前提條件來(lái)確定。這使得能源轉(zhuǎn)換密度的值相對(duì)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(fù)載引起的發(fā)熱問(wèn)題
在數(shù)據(jù)中心,電源供應(yīng)的體系結(jié)構(gòu)對(duì)功率密度有著很大的影響。最新的趨勢(shì)是采用48V背板總線,每個(gè)刀片服務(wù)器都帶有負(fù)載點(diǎn)(POL)轉(zhuǎn)換器,可將電壓降低到IC級(jí),通常低于1V。單獨(dú)來(lái)看,POL的功率密度可以達(dá)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(jī)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?,可從外部中央電源提供380V直流電,并在機(jī)架中轉(zhuǎn)換為48V。采用直流電時(shí),沒(méi)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(gè)優(yōu)勢(shì)是,與每個(gè)機(jī)架中的AC/DC不同,這種方案可以集中儲(chǔ)存用于應(yīng)對(duì)功率損耗或斷電的電力,而機(jī)架中的AC/DC需要配備大型的內(nèi)部?jī)?chǔ)能電容器,占用了寶貴的空間。
與工業(yè)制造機(jī)柜不同,數(shù)據(jù)中心的負(fù)載是刀片服務(wù)器本身,因此每個(gè)機(jī)架內(nèi)部的功率損耗都可能超過(guò)10kW。這就要求通過(guò)嚴(yán)格控制的高速氣流和較低的入口溫度進(jìn)行主動(dòng)冷卻。對(duì)于能源轉(zhuǎn)換器而言,這是個(gè)好消息,因?yàn)槟茉崔D(zhuǎn)換器的效率很高,其功率損耗只占整個(gè)服務(wù)器的一小部分。這樣就可以在幾乎沒(méi)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(shí)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(yuǎn)離能源轉(zhuǎn)換器。
WBG技術(shù)帶來(lái)更高的功率密度
能源轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)人員可以選擇通過(guò)降低開關(guān)速度來(lái)提高效率,但這會(huì)導(dǎo)致無(wú)源元件以及殼體尺寸變大。復(fù)雜的諧振變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)高頻、低損耗運(yùn)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(jìn)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(jià)值而設(shè)計(jì)
在提高功率密度和提高功率效率之間適當(dāng)進(jìn)行成本權(quán)衡,可確保設(shè)計(jì)師為客戶提供超高價(jià)值的設(shè)計(jì)。除非能縮小產(chǎn)品尺寸為直接增加利潤(rùn)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(huì)成為一場(chǎng)收益遞減的游戲。功率密度是一個(gè)特別有用的轉(zhuǎn)換器指標(biāo),但在比較時(shí)應(yīng)非常仔細(xì)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(jī)柜和數(shù)據(jù)中心服務(wù)器機(jī)架之間會(huì)有很大差異。當(dāng)你為價(jià)值而設(shè)計(jì)時(shí),需多方權(quán)衡作出明智的選擇。
作者簡(jiǎn)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。
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