然ran而er
，最zui終zhong用yong戶hu要yao放fang眼yan全quan局ju，更geng關guan心xin的de是shi整zheng個ge係xi統tong或huo流liu程cheng的de效xiao率lv，即ji在zai履lv行xing環huan保bao義yi務wu的de同tong時shi謀mou求qiu利li潤run最zui大da化hua。他ta們men明ming白bai

，當dang考kao慮lv到dao整zheng個ge壽shou命ming周zhou期qi成cheng本ben時shi，逐zhu步bu減jian少shao能neng量liang轉zhuan換huan過guo程cheng中zhong的de小xiao部bu分fen損sun失shi並bing不bu一yi定ding會hui帶dai來lai總zong體ti成cheng本ben或huo環huan境jing效xiao益yi的de大da幅fu提ti升sheng。另ling一yi方fang麵mian，將jiang更geng多duo能neng量liang轉zhuan換huan設she備bei集ji成cheng到dao更geng小xiao的de封feng裝zhuang中zhong

，即ji提ti高gao“功率密度”，可以更有效地利用工廠或數據中心的占地麵積
，並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/處理成本和機櫃/工廠車間利用率中所占百分比的實際成本，並與增加功率密度和係統效率進行了比較。

 

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jiu是shi差cha。但dan這zhe與yu你ni所suo占zhan的de角jiao度du有you關guan
，例li如ru，對dui於yu數shu據ju中zhong心xin而er言yan，其qi整zheng體ti電dian力li效xiao率lv近jin乎hu為wei零ling，也ye就jiu是shi說shuo從cong電dian網wang獲huo取qu的de所suo有you電dian力li幾ji乎hu全quan部bu轉zhuan換huan為wei刀dao片pian服fu務wu器qi、電(dian)源(yuan)和(he)冷(leng)卻(que)係(xi)統(tong)電(dian)子(zi)設(she)備(bei)所(suo)產(chan)生(sheng)的(de)熱(re)量(liang)。但(dan)如(ru)果(guo)能(neng)充(chong)分(fen)利(li)用(yong)這(zhe)些(xie)熱(re)量(liang)為(wei)數(shu)據(ju)中(zhong)心(xin)帶(dai)來(lai)收(shou)入(ru)，效(xiao)果(guo)就(jiu)完(wan)全(quan)不(bu)同(tong)了(le)，這(zhe)也(ye)是(shi)在(zai)多(duo)數(shu)行(xing)業(ye)廣(guang)為(wei)采(cai)納(na)的(de)一(yi)種(zhong)方(fang)法(fa)。所(suo)以(yi)如(ru)果(guo)你(ni)想(xiang)在(zai)獲(huo)取(qu)利(li)益(yi)的(de)同(tong)時(shi)節(jie)省(sheng)成(cheng)本(ben)和(he)空(kong)間(jian)，真(zhen)正(zheng)的(de)問(wen)題(ti)是(shi)如(ru)何(he)在(zai)最(zui)大(da)化(hua)生(sheng)產(chan)力(li)的(de)同(tong)時(shi)最(zui)小(xiao)化(hua)總(zong)功(gong)耗(hao)。

 

數shu據ju中zhong心xin管guan理li人ren員yuan深shen知zhi這zhe一yi點dian，而er且qie每mei天tian都dou需xu要yao考kao慮lv如ru何he在zai提ti升sheng數shu據ju處chu理li能neng力li和he速su度du的de同tong時shi盡jin可ke能neng降jiang低di電dian費fei，並bing從cong資zi本ben投tou資zi中zhong獲huo得de回hui報bao。他ta們men別bie無wu選xuan擇ze，隻zhi能neng增zeng加jia服fu務wu器qi，即ji使shi會hui帶dai來lai數shu千qian瓦wa的de功gong耗hao，但dan可ke以yi計ji算suan出chu因yin此ci而er得de到dao的de貨huo幣bi價jia值zhi，並bing抵di消xiao掉diao額e外wai的de能neng源yuan和he資zi金jin成cheng本ben。在zai工gong業ye上shang，如ru果guo需xu要yao增zeng加jia一yi台tai100kw的de電dian機ji
，在zai產chan生sheng更geng多duo淨jing輸shu出chu的de同tong時shi，也ye會hui不bu可ke避bi免mian地di增zeng加jia電dian機ji驅qu動dong及ji供gong電dian壓ya力li。在zai所suo有you行xing業ye中zhong，電dian源yuan本ben身shen沒mei有you增zeng加jia任ren何he商shang業ye價jia值zhi，但dan又you不bu可ke缺que少shao，因yin此ci，電dian力li供gong應ying中zhong消xiao耗hao的de每mei一yi項xiang運yun營ying費fei用yong和he每mei一yi點dian功gong率lv損sun耗hao都dou被bei視shi為wei降jiang低di了le利li潤run。這zhe無wu形xing中zhong給gei電dian力li電dian子zi製zhi造zao商shang帶dai來lai了le更geng多duo壓ya力li
，要yao求qiu他ta們men通tong過guo提ti高gao電dian力li效xiao率lv來lai降jiang低di損sun失shi。

 

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shu出chu功gong率lv與yu輸shu入ru功gong率lv之zhi差cha即ji為wei能neng量liang轉zhuan換huan過guo程cheng中zhong流liu失shi的de熱re量liang。問wen題ti是shi，如ru果guo不bu考kao慮lv功gong率lv等deng級ji以yi及ji功gong率lv等deng級ji如ru何he隨sui操cao作zuo環huan境jing和he操cao作zuo條tiao件jian而er變bian化hua
，那na麼me效xiao率lv就jiu僅jin僅jin是shi轉換器zhijiandebijiaobiaozhun，erwuqitarenheyiyi。guangyishanglaishuo，jiushixuyaozhaodaoshebeidezuijiayunxingtiaojian。zhuanhuanqihenshaozaijiejinzuidaedinggonglvdeqingkuangxiagongzuo
，yincitongchangshejiweizaizuidaedingfuzaide50%到75%左(zuo)右(you)達(da)到(dao)峰(feng)值(zhi)效(xiao)率(lv)

，並(bing)有(you)一(yi)定(ding)的(de)曲(qu)度(du)，使(shi)得(de)零(ling)負(fu)載(zai)時(shi)的(de)效(xiao)率(lv)降(jiang)到(dao)零(ling)。在(zai)輕(qing)負(fu)載(zai)時(shi)，轉(zhuan)換(huan)器(qi)設(she)計(ji)之(zhi)間(jian)可(ke)能(neng)存(cun)在(zai)巨(ju)大(da)的(de)差(cha)異(yi)，因(yin)此(ci)在(zai)空(kong)轉(zhuan)條(tiao)件(jian)下(xia)，一(yi)個(ge)電(dian)源(yuan)的(de)功(gong)率(lv)損(sun)耗(hao)可(ke)能(neng)是(shi)另(ling)一(yi)個(ge)的(de)幾(ji)倍(bei)。如(ru)圖(tu)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係統要求50%負載下的最低效率為94%，10%負載下的最低效率為90%

；對於230V係統而言，兩種情況下的效率分別為96%和90%（表1）。

 

表1：此表列出了115V係統的80-PLUS效率標準（來源：維基百科）

 

這些限製很難實現。達到94%的鈦金等級意味著減少四分之三的電力損失。由於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，可以限製開關轉換過程中的損耗
，而且隨著碳化矽（SiC）和氮化镓（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，客戶和電力供應製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複雜的技術和更昂貴的組件，並通常以犧牲尺寸為代價。1kW的電源在效率為98%時的損耗隻有20.4W。為了實現99%的效率和10.1W的損耗
，需要付出多少代價

？對於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，不能隻局限於一個方麵。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。

 

精彩內容未完待續......

 

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
、導航係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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