技术文章—功率密度与效率如何权衡

能量转换效率是一个重要的指标，各制造商摩拳擦掌希望在95%的基础上再有所提升。为了实现这一提升，开始逐渐采用越来越复杂的转换拓扑，如移相全桥（PSFB）和LLC变换器。而且二极管将逐渐被功耗更低的MOSFET所取代，宽带隙（WBG）器件更是以其惊人的开关速度被誉为未来的半导体业明珠。

然而，最终用户要放眼全局，更关心的是整个系统或流程的效率，即在履行环保义务的同时谋求利润最大化。他们明白，当考虑到整个寿命周期成本时，逐步减少能量转换过程中的小部分损失并不一定会带来总体成本或环境效益的大幅提升。另一方面，将更多能量转换设备集成到更小的封装中，即提高“功率密度”，可以更有效地利用工厂或数据中心的占地面积，并以现有的管理成本创造出更多的价值。

本文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，并与增加功率密度和系统效率进行了比较。

在电力电子领域，效率是一个很容易被概念化的术语——100%就是好，0%就是差。但这与你所占的角度有关，例如，对于数据中心而言，其整体电力效率近乎为零，也就是说从电网获取的所有电力几乎全部转换为刀片服务器、电源和冷却系统电子设备所产生的热量。但如果能充分利用这些热量为数据中心带来收入，效果就完全不同了，这也是在多数行业广为采纳的一种方法。所以如果你想在获取利益的同时节省成本和空间，真正的问题是如何在最大化生产力的同时最小化总功耗。

数据中心管理人员深知这一点，而且每天都需要考虑如何在提升数据处理能力和速度的同时尽可能降低电费，并从资本投资中获得回报。他们别无选择，只能增加服务器，即使会带来数千瓦的功耗，但可以计算出因此而得到的货币价值，并抵消掉额外的能源和资金成本。在工业上，如果需要增加一台100kw的电机，在产生更多净输出的同时，也会不可避免地增加电机驱动及供电压力。在所有行业中，电源本身没有增加任何商业价值，但又不可缺少，因此，电力供应中消耗的每一项运营费用和每一点功率损耗都被视为降低了利润。这无形中给电力电子制造商带来了更多压力，要求他们通过提高电力效率来降低损失。

能源转换效率似乎很容易定义，可以用公式表述为“输出功率除以输入功率，以百分比表示”，输出功率与输入功率之差即为能量转换过程中流失的热量。问题是，如果不考虑功率等级以及功率等级如何随操作环境和操作条件而变化，那么效率就仅仅是转换器之间的比较标准，而无其他任何意义。广义上来说，就是需要找到设备的最佳运行条件。转换器很少在接近最大额定功率的情况下工作，因此通常设计为在最大额定负载的50%到75%左右达到峰值效率，并有一定的曲度，使得零负载时的效率降到零。在轻负载时，转换器设计之间可能存在巨大的差异，因此在空转条件下，一个电源的功率损耗可能是另一个的几倍。如图1所示，在百分之五负载时，橙色线表示的转换器损耗是蓝色线的三倍多。因此，轻载损耗对总能量消耗有较大的影响。