然而，最終用戶要著眼大局，更關心整個系統或製程在遵守環境義務的同時，能夠盈利的效率。他們明白，倘若所有生命週期成本都計入其中，在功率轉換過程的一個小要素，即便非常專注於降低其損耗並不一定會導致明顯整體成本節省或環境效益。
另一層面，將更多電源轉換裝置整合到更小體積(增大其「功率密度」)，可以更高效地利用工廠或資料中心的占地面積，並利用現有資源和成本實現更多產出。
本文將研究相較增大功率密度和提高系統效率，提高功率密度百分點在節能、購置/處置成本和機櫃/占地面積利用率等層面的實際成本。
製造商藉提高效率 降低營運壓力
在功率電子的世界，效率是一個容易概念化的術語，100%效率為好，而0%為壞。但是，讀者必須仔細設置自身的參考基準。資料中心整體電氣效率接近0%，從電網提取的所有功率幾乎都轉換為伺服器葉片、電源和冷卻系統中電子元件中的熱量。然後，將電力的美金價值轉換為美金收入可能是1,000%的效率，大多數行業都是如此，這是所有人的期望，否則，如果讀者想節省成本和挽救地球，同時也要賺錢，真正問題是如何最小化總功耗，同時以最大限度提高生產力。
資料中心管理者完全知曉這些，他們需要面對日常壓力來提高資料處理能力和速度，同時保持盡可能低電費，並從資本投資中獲得回報。他們別無選擇，只能以增加數千瓦的功率耗散來添加伺服器，但可以演算容量增大帶來的附加價值抵消額外能源和資本成本。在工業領域，如果需要另一台100kW馬達，並用於生產更多可銷售產出，馬達驅動及其電源則是不可迴避之開銷。在所有產業中，電源是一種必須的罪惡之物，本身不會增加商業價值，其耗費的營運成本和功率都被視為降低了利潤。因此，焦點自然而然地會將注意力轉向功率電子製造商，他們需要承擔透過提高電氣效率來減少損耗的壓力。
拓撲架構重新設計以實現零損耗
功率轉換效率似乎很容易定義，人們都可以引用公式「輸出功率除輸入功率之百分比」，兩者之間差值為功率轉換器消散的熱量。問題是，如果不涉及功率水準，以及它們如何隨操作和環境條件而變化，而將效率作為轉換器比較參數，此時效率沒有任何意義。往往這會導致一些「創造性」規格，挑選出其中亮點，以展現裝置最好的部分。很少有轉換器在接近其最大額定功率時操作，因此效率通常設定為在最大額定負載50~75%左右達到峰值，並且某些曲線必須在零負載時降至零效率。在輕負載時轉換器設計可能存在高不確定性，因此在待機條件下電源功耗可能會比其他電源多一倍(圖1)。負載為5%時，A線表示轉換器功耗是B線的三倍以上，因此輕負載功耗對總能量消耗有顯著影響。
幸運的是，業內有一些標準可以用來規定效率曲線形狀，例如具有不同級別的「80 PLUS計畫」中，「鈦」級為最高，要求在50%負載時具備最低94%效率，在10%負載時最低90%效率，這些是用於115V系統的效率，對於230V系統，上述參數分別是96%和90%(圖2)。
這些限制很難實現。在2004年構想80 PLUS認證計畫時，在50%負載下實現最低水準80%效率已經足夠困難，但是要達到94%的鈦級則意謂著需要減少電源四分之三的損耗。效率僅提高14%，而額定功率為千瓦級的電源必須將損耗從250W降低到64W，這不能透過對現有設計進行微調來實現，因此必須對轉換器拓撲架構進行徹底重新考量。不再使用傳統二極體，轉而採用同步驅動MOSFET，相移全橋和LLC諧振拓撲架構等技術都被用來限制開關轉換期間的損耗，並且出現諸如SiC和GaN等全新半導體技術，以實現更快的開關速度但不會造成功耗損失。即便是不在市電的低階橋式整流器也已經演變成MOSFET的混合布置，這構成功率因數校正電路必要的部分。這些都需要一定成本，也有採用新技術帶來的風險。即便如此，從供需角度看，客戶和電源製造商要求在螺旋式上升，以實現更高效率，達到99%甚至更高。
追求高效率而降損耗所費不貲
隨著功率轉換效率接近100%，提高效率的難度成倍增加。從97%到98%意謂著損耗減少了三分之一，從98%到99%意謂著將損耗減少一半。在任何轉換器設計中，將損耗降低50%可能會要求設計從頭重新開始，使用更複雜的技術和更昂貴的元件是唯一途徑，而這通常是以犧牲尺寸為代價。1kW電源效率為98%時，僅消耗20.4W功率(圖3)。而要花費多少努力才能使損耗達到10.1W，使效率提高到99%？考量一下1kW的負載，將效率提高1%僅僅可以節省10.1W，但這需要多少設計工作量？
當然，所有節能都值得珍惜，但是更需要放寬眼界。在美國，工業用電平均價格約為每千瓦小時7美分。如果以1kW電源壽命為例，在100%正常執行時間下可操作5年或大約44,000小時，減少10.1W損耗可以節省大約31美元，而負載功率的成本超過3,100美元。更換電源會導致擁有成本、購買和鑑定費用、安裝成本以及通常與數百個元件、包裝和運輸相關的碳足跡。然後是舊裝置的處置成本，以及新尖端產品的功能風險。假設上一代電源可靠性仍然足夠，那麼與保留舊產品相較，很難看出這些相關成本與31美元的節省相比如何抵消。單純為了效率參數而追求更高效率可能是一項成本高昂的事情。
裝置縮小尺寸提高功率密度
為了降低內部溫度並提高演算的壽命/可靠性，也許有必要提高功率轉換器效率，但這僅在外殼和冷卻保持不變情況下才有效。有一個古老的經驗法則，即電子元件溫度每升高10℃，其壽命就會縮短兩倍。而依據可靠性手冊，在溫度升高10℃時，半導體元件失效率將增加約25%，電容器失效率將增加約50%。但是現代電子產品極其可靠且經久耐用，因此這些都是相對於非常長使用壽命和高可靠性而言的百分比變化。例如，從歷史上講，功率電子裝置的冷卻設置目標，是將資料中心入口處的理想溫度保持在21℃左右，但是英特爾(Intel)和其他公司的研究表明，該溫度可以適當提高，但不會顯著影響系統可靠性。APC的一項報告引用了美國供熱和空調工程師協會(ASHRAE)的預測，當入口溫度從20℃升高至32℃(68℉至90℉)時，總體裝置故障率僅增加1.5倍(圖4)。據稱，資料中心額定操作溫度每升高1℉，就可以將相關冷卻成本降低約4%，因此減小主機殼尺寸，允許包括電源在內的裝置在更高溫度下操作，可以真正節省成本，同時還可以釋放機架空間。
使較小電源在更高溫度下操作的另一推動因素，是採用以SiC或GaN材料製成的寬能隙半導體。這些元件操作溫度額定值比矽元件高很多，特別是對於SiC，允許裸晶在高達數百℃溫度下操作。
功率轉換各方紛尋最佳解
功率轉換裝置供應商可能會以特定條件下的效率規格來互相競爭，但對最終用戶而言，重要的是其製程的生產率和盈利能力。當然，籍由減少能源消耗來節省成本是一件好事情，但是透過增加機櫃中或機架上裝置功率密度，並提高每單位體積的生產率而獲得成本節省可能更具吸引力。資料中心和製造設施中的地板空間具有「美元密度」，這是為貢獻一定收入所必須達到的貨幣價值，以千美元/平方英尺為度量，因此縮小電子裝置尺寸以提供更多生產空間是實際收益。如果這意謂著在生產需要擴展時提供完整的額外機櫃，則實現的短期和長期資金節省更多。
仰仗相關的功率轉換器可實現電子裝置更高功率密度，這些促使系統架構師將功率密度視為越來越重要的指標。但是，與端到端產品電氣效率不同，整個系統的功率密度不易比較，需要包括哪些內容？在典型工業機櫃中，可能有開關裝置、連接器、安裝在主機殼底座的EMI濾波器、生成中間電壓的AC-DC轉換器、大電流匯流排、負載本地處的DC-DC轉換器、風扇及其自身電源和安裝硬體，有時甚至可能包括空調裝置。在控制機櫃中，負載可能是獨立式，也可能是馬達，在這種狀況下，功率轉換裝置體積占整個空間很大一部分，任何空間尺寸的節省都意謂著可以容納更多控制電子裝置。但是，這樣回報會減少，因為添加額外裝置總會需要更多功率。控制櫃還可能受限於使用標準化硬體，如用於裝置安裝的DIN導軌，供應商推出了越來越窄小的產品，而輸入/輸出連接器尺寸的實際應用通常定義了其最小值。現在30W AC-DC寬度已減小到21mm左右，而480W裝置寬度大約為48mm(寬)×124mm(高)。機櫃中如果包括冷卻系統，其中可能包括一系列風扇，由於入口溫度不能確定，因此功率轉換器的額定溫度通常設為在高溫氣流下操作，且沒有主機殼散熱設置。這導致功率轉換密度值相對較低，每立方英寸可能為10到20W。
POL實現資料中心電源高功率轉換
在資料中心中，功率分配系統體系架構會嚴重影響功率密度。最新趨勢是透過每個伺服器刀鋒上的負載點(POL)轉換器提供48V背板匯流排，將電壓降低至IC電平，通常低於1V。分開來看，POL可以具有令人吃驚的功率密度，每立方英寸超過1kW，但需要大量散熱片或冷卻氣流才能正常操作。48V匯流排可以來自機架AC-DC轉換器，其功率密度可能僅為每立方英寸20W左右。或者可以從外部中央電源提供380V DC，並在機架中轉換為48V。具備直流電源後，不再有交流整流和功率因數校正電路損耗，該轉換器可以達到非常高的效率，並且每立方英寸功率密度再次超過1kW(需要足夠冷卻能力)。另一個優勢是，與每個機架中的AC-DC不同，能量可以集中儲存並用於電源損耗或電力不足，而AC-DC具有很大的內部儲能電容器，占用了寶貴空間。
與工業製造中機櫃不同，資料中心負載實際是刀鋒伺服器本身，因此每個機架內部消耗功率均超過10kW。倘若要求嚴格控制的高速氣流進行主動冷卻，並保持較低入口溫度，這對於功率轉換器來說是個好消息，而由於其效率很高，僅消耗了刀鋒伺服器一部分的功率，允許使用具備最少量外部散熱(如果需要)的POL和匯流排轉換器，進而保持較高的總功率密度。實際上，使刀鋒伺服器產生的熱量遠離功率轉換器成為一個主要的考量因素。
寬能隙技術提高功率密度
功率轉換器設計人員可以透過降低開關速度來提高效率，但這會導致必須採用過大被動元件，進而使機殼尺寸變大。複雜諧振轉換器拓撲允許更高運作頻率，實現低損耗，而SiC和GaN半導體元件的到來又結合了高速度和低損耗，再次改變了遊戲規則。它們在較高溫度下可靠的操作能力可以使轉換器封裝尺寸進一步減小，進而實現更高功率密度。
追逐功率轉換效率百分點是一場收益越來越小的遊戲，除非這種改進能夠導致更小產品尺寸，進而能夠為直接增加利潤的裝置留出空間。功率密度是轉換器一個很好參數，但是應該仔細比較，並包括系統中所有元素，可以預期，製造產業中機櫃和資料中心伺服器機架之間的功率密度差異會很大。
(本文作者任職於貿澤電子)
