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%jiushicha。danzheyunisuozhandejiaoduyouguan，liru，duiyushujuzhongxineryan

，qizhengtidianlixiaolvjinhuweiling，yejiushishuocongdianwanghuoqudesuoyoudianlijihuquanbuzhuanhuanweidaopianfuwuqi、dianyuanhelengquexitongdianzishebeisuochanshengdereliang。danruguonengchongfenliyongzhexiereliangweishujuzhongxindailaishouru，xiaoguojiuwanquanbutongle，zheyeshizaiduoshuxingyeguangweicainadeyizhongfangfa。suoyiruguonixiangzaihuoquliyidetongshijieshengchengbenhekongjian，zhenzhengdewentishiruhezaizuidahuashengchanlidetongshizuixiaohuazonggonghao。

 

shujuzhongxinguanlirenyuanshenzhizheyidian
，erqiemeitiandouxuyaokaolvruhezaitishengshujuchulinenglihesududetongshijinkenengjiangdidianfei
，bingcongzibentouzizhonghuodehuibao。tamenbiewuxuanze，zhinengzengjiafuwuqi
，jishihuidailaishuqianwadegonghao，dankeyijisuanchuyincierdedaodehuobijiazhi，bingdixiaodiaoewaidenengyuanhezijinchengben。zaigongyeshang，ruguoxuyaozengjiayitai100kw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)轉換器之zhi間jian的de比bi較jiao標biao準zhun，而er無wu其qi他ta任ren何he意yi義yi。廣guang義yi上shang來lai說shuo，就jiu是shi需xu要yao找zhao到dao設she備bei的de最zui佳jia運yun行xing條tiao件jian。轉zhuan換huan器qi很hen少shao在zai接jie近jin最zui大da額e定ding功gong率lv的de情qing況kuang下xia工gong作zuo

，因yin此ci通tong常chang設she計ji為wei在zai最zui大da額e定ding負fu載zai的de50%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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