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縮短一半，而根據(jù)可靠性手冊可知，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)品都非常可靠耐用，因而只有在很長的使用壽命和高度可靠的數(shù)字中才會體現(xiàn)出這樣的百分比變化。例如，對于數(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，并且對系統(tǒng)可靠性影響不明顯。APC的一份報告中引用了美國采暖、制冷與空調(diào)工程師協(xié)會（ASHRAE）的預(yù)測，顯示在入口溫度升高20至32°C（68至90°F）時，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（來源：ASHRAE）

 

另一個推動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)商可能會為了在非常特定的條件下聲稱的效率而相互競爭，但對最終用戶來說，重要的是其生產(chǎn)效率及盈利能力。通過消耗更少的能源節(jié)省幾美元是一件好事，但通過增加機(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”的說法，這是實(shí)現(xiàn)收入所必須達(dá)到的一項貨幣價值，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)展時不再急需采購?fù)暾念~外機(jī)柜，那么從短期和長期來看都將節(jié)省更多的成本。

 

圖2：工廠車間的美元價值

 

通過相關(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”視為一個越來越重要的指標(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，例如電動機(jī)。在這種情況下，能源轉(zhuǎn)換設(shè)備的體積占整個空間的很大一部分，任何節(jié)省下來的空間都可用于安裝更多的控制電子設(shè)備。不過，因?yàn)樘砑釉O(shè)備會消耗更多的功率，所以收益也會減少。控制柜還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）帶來的限制，同時供應(yīng)商推出的產(chǎn)品越來越窄，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在沒有底盤散熱的高溫氣流中運(yùn)行的前提條件來確定。這使得能源轉(zhuǎn)換密度的值相對較低，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)熱問題

 

在數(shù)據(jù)中心，電源供應(yīng)的體系結(jié)構(gòu)對功率密度有著很大的影響。最新的趨勢是采用48V背板總線，每個刀片服務(wù)器都帶有負(fù)載點(diǎn)（POL）轉(zhuǎn)換器，可將電壓降低到IC級，通常低于1V。單獨(dú)來看，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。或者，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，沒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）。另一個優(yōu)勢是，與每個機(jī)架中的AC/DC不同，這種方案可以集中儲存用于應(yīng)對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)部儲能電容器，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，因此每個機(jī)架內(nèi)部的功率損耗都可能超過10kW。這就要求通過嚴(yán)格控制的高速氣流和較低的入口溫度進(jìn)行主動冷卻。對于能源轉(zhuǎn)換器而言，這是個好消息，因?yàn)槟茉崔D(zhuǎn)換器的效率很高，其功率損耗只占整個服務(wù)器的一小部分。這樣就可以在幾乎沒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)帶來更高的功率密度

 

能源轉(zhuǎn)換器設(shè)計人員可以選擇通過降低開關(guān)速度來提高效率，但這會導(dǎo)致無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：為價值而設(shè)計

 

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)計師為客戶提供超高價值的設(shè)計。除非能縮小產(chǎn)品尺寸為直接增加利潤的設(shè)備留出空間，否則一味的追求提高能源轉(zhuǎn)換效率可能會成為一場收益遞減的游戲。功率密度是一個特別有用的轉(zhuǎn)換器指標(biāo)，但在比較時應(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)架之間會有很大差異。當(dāng)你為價值而設(shè)計時，需多方權(quán)衡作出明智的選擇。

 

作者簡介

 

 

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。

本文轉(zhuǎn)載自貿(mào)澤電子。

 

 

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