原创深度 | 功率密度与效率：如何权衡（二）

Robert Huntley,  贸泽电子

在上一篇文章“功率密度与效率：如何权衡（一）”中，我们分析了追求能源转换效率在节能、采集/处理成本和机柜/工厂车间利用率中所占百分比的实际成本。本文中，我们将介绍功率密度指标的重要性以及数据中心电源转换器由负载引起的发热问题。

管理温度以提升功率密度

也许提高能源转换器的效率以降低内部温度和提高计算寿命/可靠性是值得的，但这只有在外壳和散热系统保持不变的情况下才有效。过去的经验法则告诉我们，温度每升高10°C，电子器件的寿命就会缩短一半，而根据可靠性手册可知，温度升高10°C，半导体和电容器故障率将分别增加25%和50%左右。然而，现代电子产品都非常可靠耐用，因而只有在很长的使用寿命和高度可靠的数字中才会体现出这样的百分比变化。例如，对于数据中心，电力电子设备冷却系统一直被设定为保持21°C左右的理想入口温度，但英特尔和其他公司的研究表明，这一温度可以提高，并且对系统可靠性影响不明显。APC的一份报告中引用了美国采暖、制冷与空调工程师协会（ASHRAE）的预测，显示在入口温度升高20至32°C（68至90°F）时，整体设备故障率仅增加1.5倍（图1）。数据中心的温度每升高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包括电源在内的设备能在更高温下运行，可以在释放机架空间的同时真正节约成本。

 图1：入口温度与设备可靠性关系曲线（来源：ASHRAE）

另一个推动小型电源在更高温下运行的因素是采用由SiC或GaN材料制成的WBG半导体。这些器件的额定工作温度比硅类（特别是碳化硅）产品高得多，其芯片可以承受高达几百摄氏度的温度。

功率密度指标的重要性

能源转换设备供应商可能会为了在非常特定的条件下声称的效率而相互竞争，但对最终用户来说，重要的是其生产效率及盈利能力。通过消耗更少的能源节省几美元是一件好事，但通过增加机柜或机架中的设备密度以及提高每立方英尺的生产率所获得的收益可能更有吸引力。数据中心和制造业的建筑面积有一种“美元密度”的说法，这是实现收入所必须达到的一项货币价值，以千美元/平方英尺为单位，因此缩小电子设备的规模，以提供更高的生产空间，才能获得真正的收益。如果这意味着在需要扩展时不再急需采购完整的额外机柜，那么从短期和长期来看都将节省更多的成本。

图2：工厂车间的美元价值

通过相关的能源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”视为一个越来越重要的指标。然而，与端到端电气效率不同，完整系统的功率密度非常难以比较，因为需要考虑的因素太多。比如，在典型工业机柜中，可能有开关设备、连接器、安装在机箱上的电磁干扰（EMI）滤波器、产生中间电压的AC/DC转换器、大电流母线、负载处的DC/DC转换器、风扇及其自身的电源和安装硬件，甚至还包括空调机组。在控制柜中，负载可能是外部的，例如电动机。在这种情况下，能源转换设备的体积占整个空间的很大一部分，任何节省下来的空间都可用于安装更多的控制电子设备。不过，因为添加设备会消耗更多的功率，所以收益也会减少。控制柜还可能受到要求使用标准化硬件（如用于设备安装的DIN导轨）带来的限制，同时供应商推出的产品越来越窄，而输入/输出连接器尺寸的可用性也往往定义了最低要求。30W AC/DC的宽度现在只有21mm左右，而480W部件的尺寸可以达到48mm宽x124mm高。机柜内的冷却系统（如果有）可能只是由入口温度不确定的风扇组成，因此能源转换器的额定值往往只能针对在没有底盘散热的高温气流中运行的前提条件来确定。这使得能源转换密度的值相对较低，每25立方毫米约为10到20瓦。

数据中心电源转换器由负载引起的发热问题

在数据中心，电源供应的体系结构对功率密度有着很大的影响。最新的趋势是采用48V背板总线，每个刀片服务器都带有负载点（POL）转换器，可将电压降低到IC级，通常低于1V。单独来看，POL的功率密度可以达到每平方厘米15kW以上，但需要大量的散热或气体流通。48V总线可以采用机架式AC/DC转换器，但功率密度可能只有每平方厘米310W左右。或者，可从外部中央电源提供380V直流电，并在机架中转换为48V。采用直流电时，没有交流整流和功率因数校正电路的损耗，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（冷却足够的情况下）。另一个优势是，与每个机架中的AC/DC不同，这种方案可以集中储存用于应对功率损耗或断电的电力，而机架中的AC/DC需要配备大型的内部储能电容器，占用了宝贵的空间。

与工业制造机柜不同，数据中心的负载是刀片服务器本身，因此每个机架内部的功率损耗都可能超过10kW。这就要求通过严格控制的高速气流和较低的入口温度进行主动冷却。对于能源转换器而言，这是个好消息，因为能源转换器的效率很高，其功率损耗只占整个服务器的一小部分。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，这里的一大主要考虑因素就是使刀片服务器产生的热量远离能源转换器。

WBG技术带来更高的功率密度

能源转换器设计人员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以及壳体尺寸变大。复杂的谐振变换器拓扑结构可以实现高频、低损耗运行，但是SiC和GaN又凭借其高速、低损耗的特性再次改变了游戏规则。它们能够在更高的温度下可靠地工作，进一步减小转换器封装尺寸，将功率密度值推向新高。

结论：为价值而设计

在提高功率密度和提高功率效率之间适当进行成本权衡，可确保设计师为客户提供超高价值的设计。除非能缩小产品尺寸为直接增加利润的设备留出空间，否则一味的追求提高能源转换效率可能会成为一场收益递减的游戏。功率密度是一个特别有用的转换器指标，但在比较时应非常仔细以将系统中的所有元素都包括在内，并且需注意制造业机柜和数据中心服务器机架之间会有很大差异。当你为价值而设计时，需多方权衡作出明智的选择。
作者简介

Robert Huntley是一位具有HND资格认证的工程师和技术作家。他拥有电信、导航系统和嵌入式应用工程等专业背景，代表贸泽电子撰写了各种技术和实践文章。

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原文链接：

https://www.mouser.com/applications/power-density-vs-efficiency/