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(kāi)始逐漸采用越來(lái)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(kāi)關(guān)速度被譽(yù)為未來(lái)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(rùn)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(guò)程中的小部分損失并不一定會(huì)帶來(lái)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(yǔ)——100%就是好,，0%就是差。但這與你所占的角度有關(guān),，例如,，對(duì)于數(shù)據(jù)中心而言，其整體電力效率近乎為零,，也就是說(shuō)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(lái)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(wèn)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(wú)選擇,，只能增加服務(wù)器，即使會(huì)帶來(lái)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(tái)100kw的電機(jī),，在產(chǎn)生更多凈輸出的同時(shí)，也會(huì)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(méi)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(yíng)費(fèi)用和每一點(diǎn)功率損耗都被視為降低了利潤(rùn)。這無(wú)形中給電力電子制造商帶來(lái)了更多壓力,，要求他們通過(guò)提高電力效率來(lái)降低損失,。
效率是個(gè)相對(duì)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(guò)程中流失的熱量。問(wèn)題是,，如果不考慮功率等級(jí)以及功率等級(jí)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(wú)其他任何意義,。廣義上來(lái)說(shuō),，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(duì)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(huì)有很大差異
幸運(yùn)的是,，有一些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了各等級(jí)的效率曲線形狀,，例如具有不同級(jí)別的“80-PLUS計(jì)劃”?！扳伣稹笔亲罡呒?jí)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(duì)于230V系統(tǒng)而言,，兩種情況下的效率分別為96%和90%（表1）。
這些限制很難實(shí)現(xiàn),。達(dá)到94%的鈦金等級(jí)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(guò)對(duì)現(xiàn)有設(shè)計(jì)進(jìn)行微調(diào)是無(wú)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(guò)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(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換過(guò)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(méi)有功率損耗的情況下更快地進(jìn)行開(kāi)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(huì)帶來(lái)“新風(fēng)險(xiǎn)”,。此外，客戶和電力供應(yīng)制造商對(duì)更高功率的需求也呈螺旋式上升趨勢(shì),，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(jí)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(kāi)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(duì)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？
當(dāng)然,，單就節(jié)能來(lái)看,，所有的付出都是值得的，但我們看問(wèn)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(guó)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(guò)3100美元,。更換電源會(huì)帶來(lái)購(gòu)置成本,、采購(gòu)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(wèn)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(wú)意義了,。追求高效率這件事情自身恐怕會(huì)是一項(xiàng)昂貴的事業(yè),。