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?？煽磕陀?，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，減小機箱尺寸并允許包括電源在內(nèi)的設(shè)備能在更高溫下運行，可以在釋放機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，但通過增加機柜或機架中的設(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展時不再急需采購?fù)暾念~外機柜，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，因為需要考慮的因素太多。比如，在典型工業(yè)機柜中，可能有開關(guān)設(shè)備、連接器、安裝在機箱上的電磁干擾（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)機組。在控制柜中，負(fù)載可能是外部的，例如電動機。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，因為添加設(shè)備會消耗更多的功率，所以收益也會減少?？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（POL）轉(zhuǎn)換器，可將電壓降低到IC級，通常低于1V。單獨來看，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行主動冷卻。對于能源轉(zhuǎn)換器而言，這是個好消息，因為能源轉(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)可以實現(xiàn)高頻、低損耗運行，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)機柜和數(shù)據(jù)中心服務(wù)器機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)和實踐文章。

本文轉(zhuǎn)載自貿(mào)澤電子。

 

 

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