Сколько стоит ватт потерь?

Коэффициент полезного действия (КПД) и его аналоги, например, светоотдача светодиодов, входят в число наиважнейших характеристик любого устройства, ведь они определяют какое количество энергии будет потеряно в процессе выполнения полезной работы. Поскольку теряемая энергия чаще всего превращается в тепловую, то КПД косвенно определяет и размеры устройства, ведь выделение большого количества тепла в малом объеме с большой вероятностью приведет к повреждению компонентов системы. Поэтому неудивительно, что все ведущие производители источников питания работают над постоянным улучшением КПД своей продукции. И если в каком-либо модуле этот параметр удается улучшить хоть на одну десятую процента по сравнению с аналогами других производителей, то это сразу становится его конкурентным преимуществом и указывается большим шрифтом во всех рекламных материалах.

С точки зрения физики, уменьшить потери до нуля невозможно, поскольку все электротехнические материалы неидеальны. Например, любой проводник в обычных условиях имеет некоторое сопротивление, поэтому при протекании по нему электрического тока он будет неизбежно нагреваться. Однако производитель может установить в устройстве дешевый тонкий провод, в котором энергия будет теряться со скоростью, например, 100 мВт, а может использовать и более дорогой – с меньшим сопротивлением – в котором при тех же условиях будет выделяться только 1 мВт тепла. Поэтому на результирующее значение КПД готового устройства оказывают влияние не только физические ограничения, но и экономические факторы.

Таким образом, чаще всего более качественное устройство оказывается еще и более дорогим, и конечный потребитель постоянно сталкивается с проблемой выбора: «отлично и дорого» или «дешево и сердито». В некоторых случаях выбор очевиден. Например, в ультракомпактных устройствах с автономным питанием, таких как смартфоны или фитнес-браслеты, использование узлов с малым КПД окажется недопустимым расточительством. Но что делать, когда в устройстве нет жестких ограничений по габаритам и массе, а разница в цене двух почти одинаковых модулей питания с КПД, отличающимися на доли процента, оказывается достаточно большой? Есть ли здравый смысл в погоне за высокой энергетической эффективностью, или можно удовлетвориться, пусть не столь высокотехнологичными, но более дешевыми решениями?

Например, не так давно компания Wolfspeed – одно из ведущих подразделений компании CREE – в рамках поддержки новых продуктов выпустила демонстрационную плату CRD-060DD12P (Рисунок 1), предназначенную для ускорения разработки вспомогательных источников питания. На плате собран готовый преобразователь постоянного напряжения, выполненный по классической обратноходовой схеме, с двумя изолированными выходными каналами, общая мощность которых может достигать 60 Bт. Основное назначение платы CRD-060DD12P – питание схем управления, драйверов силовых транзисторов, систем принудительного охлаждения и прочей вспомогательной электроники, используемой в преобразователях зарядных станций электротранспорта, инверторах солнечных электростанций или аналогичных силовых установках мощностью до нескольких сотен киловатт. Поскольку при таких мощностях напряжение основной питающей шины не может быть низким, то данная плата имеет расширенный диапазон входного напряжения – 200…1000 В, что позволяет подключать ее как к выходу сетевых выпрямителей, так и непосредственно к каскадам солнечных батарей.

Внешний вид демонстрационной платы CRD-060DD12P.
Рисунок 1. Внешний вид демонстрационной платы CRD-060DD12P.

Ключевой особенностью платы CRD-060DD12P является использование на первичной стороне новых карбид-кремниевых 1700-вольтовых полевых транзисторов C2M1000170D производства Wolfspeed. Поскольку транзисторы на этом типе полупроводника пока еще только начинают использоваться в силовой электронике и отличаются по цене от существующих кремниевых аналогов, производитель делает акцент на высокой эффективности данного решения. Для доказательства этого компания Wolfspeed провела эксперимент, в котором в одной и той же плате вместо C2M1000170D были установлены транзисторы других производителей (Таблица 1).

Таблица 1. Характеристики транзисторов, принимавших участие в эксперименте
Транзистор C2M1000170D STW4N150 2SK2225
Полупроводник Карбид кремния (SiC) Кремний (Si) Кремний (Si)
Максимальное напряжение сток-исток, В 1700 1500 1500
Напряжение лавинного пробоя, В 1800
Максимальный ток стока (при 25 °С), А 5 4 2
Сопротивление открытого канала (при 150 °С), Ом 2 9 20
Выходная емкость, пФ 14 120 60
Максимальная температура кристалла, °С > 150 150 150
Корпус ТО-247 ТО-247, ТО-220 ТО-247
Средняя цена, руб. 600 (260…936) 235 (90…380) 237 (75…400)

Результаты измерений (Рисунок 2) показали, что при использовании карбид-кремниевых транзисторов C2M1000170D КПД преобразователя был больше во всем диапазоне питающих напряжений, что является весомым аргументом в защиту новых технологий. Для большей наглядности компания Wolfspeed привела термограммы плат (Рисунок 3), снятые при одинаковых входных напряжениях, выходной мощности, и температурах окружающей среды. Из фотографий видно, что температура корпуса карбид-кремниевых транзисторов, даже при использовании радиаторов меньшей площади, оказывается меньше, чем при использовании традиционных кремниевых MOSFET. Таким образом, простая замена транзистора на более совершенный позволит ощутимо улучшить энергоэффективность импульсного преобразователя. А если учесть, что карбид-кремниевые приборы могут работать при более высоких частотах переключения, чем кремниевые аналоги, то подобная замена, позволит еще и повысить уровень удельной мощности преобразователей.

Результаты измерений КПД платы CRD-060DD12P при использовании транзисторов различных производителей.
Рисунок 2. Результаты измерений КПД платы CRD-060DD12P при использовании
транзисторов различных производителей.

Но если внимательно проанализировать зависимости КПД (Рисунок 2), то окажется, что в худшем случае – при входном напряжении 800 В и использовании вместо C2M1000170D кремниевого транзистора STW4N150 – выигрыш в КПД составит всего 0.7% (82.5% – для C2M1000170D и 81.8% – для STW4N150). А вот их стоимость может значительно отличаться. Анализируя цены электронных компонентов, доступные на сайте «РадиоЛоцман», можно увидеть, что на момент написания статьи средняя цена на транзистор C2M1000170D почти в три раза больше, чем у его кремниевого аналога STW4N150. Так не окажется ли подобная «экономия» слишком «неэкономной»? Есть ли реальный смысл во внедрении передовых технологий, если разница в КПД составит меньше одного процента?

Термограммы платы CRD-060DD12P при использовании транзисторов различных производителей (входное напряжение 1000 В, выходная мощность 60 Вт).
Рисунок 3. Термограммы платы CRD-060DD12P при использовании транзисторов различных производителей
(входное напряжение 1000 В, выходная мощность 60 Вт).

Рассмотрим худший случай (в данном случае – для компании Wolfspeed), когда преобразователи работают при выходной мощности PВЫХ = 60 Вт и входном напряжении 800 B. В этом режиме КПД преобразователя, использующего карбид-кремниевый транзистор Wolfspeed (условно назовем его Преобразователь 1), равен η1 = 82.5%, а преобразователя на основе кремниевого транзистора STMicroelectronics (Преобразователь 2) – η2 = 81.8%.

При таких уровнях КПД мощность потерь РПОТ будет равна:

  (1)

Разницу потерь ΔРПОТ можно определить по формуле:

  (2)

То есть, разница в потерях составляет менее одного ватта. Много это или мало?

Стоимость одного киловатт-часа зависит от страны, конкретного региона и конкретного потребителя и может колебаться в широких пределах. Например, для юридических лиц с максимальной потребляемой мощностью до 670 кВт, получающих электроэнергию от Мосэнергосбыта, тариф на электроэнергию равен приблизительно ТЭЛ = 6 руб./кВт∙ч.

Если предположить, что Преобразователь 1 и Преобразователь 2 имеют абсолютно одинаковые схему и печатную плату и отличаются только одним элементом – силовым транзистором, то разница в цене преобразователей ΔЦ будет равна:

  (3)

где Ц1, Ц2 – соответственно, средняя цена транзисторов C2M1000170D и STW4N150 (Таблица 1).

Для того, чтобы подобная замена была экономически выгодна, необходимо чтобы преобразователь «сэкономил» количество энергии, равное EЭК:

  (4)

Этому количеству энергии соответствует время непрерывной работы оборудования равное ТРАБ:

  (5)

Реальное время, за которое оборудование поработает 100 тысяч часов, зависит от режима работы (Таблица 2), но даже по самым оптимистическим прогнозам, когда силовая установка будет работать круглосуточно, пройдет не менее 11 лет, прежде чем подобная замена будет экономически оправдана.

Таблица 2. Время, за которое оборудование проработает 100,000 часов
Режим работы Время
Круглосуточный (24/7) 11.4 лет
Половина суток (12/7) 22.8 лет
40 часов в неделю (8/5) 48 лет

Получается, что в новых технологиях нет особого экономического смысла. Действительно, далеко не каждая силовая установка сможет проработать безотказно 100 тысяч часов, ведь кроме силовых транзисторов в ней используются и другие радиоэлементы, в первую очередь электролитические конденсаторы, срок службы которых обычно на порядок меньше. Да и за 11 лет эта техника может морально устареть и ее утилизируют намного раньше этого срока.

Однако не стоит делать поспешных выводов, ведь в произведенных расчетах используется слишком много допущений, каждое из которых может оказаться ошибочным.

Начнем со стоимости транзисторов. Карбид-кремниевые транзисторы пока еще являются относительно новой элементной базой, и многие производители электронной техники пока еще только присматриваются к этой технологии. Из-за этого спрос на подобные радиоэлементы пока невелик, и они не всегда есть в наличии даже у крупных мировых дистрибьюторов электронных компонентов. Из-за этого цена на них, зависящая, в первую очередь, от размера партии, колеблется в значительных пределах. Например, на сайте Arrow Electronics при больших заказах транзисторы C2M1000170D можно приобрести по цене 4 USD за штуку, в то время как STW4N150 обойдутся приблизительно по 3.22 USD (разница в цене – 0.78 USD). На сайте Digi-Key, даже при больших заказах, разница в цене будет составлять всего 0.05 USD (C2M1000170D – 4.92 USD, STW4N150 – 4.87 USD). По данным с сайта FindChips наименьшую цену на транзисторы STW4N150 предлагают на сайте Avnet Asia – там они стоят 1.88 USD при заказе более 30 тысяч приборов. Таким образом, если выбирать поставщиков, предлагающих максимально низкую цену, то разница в стоимости транзисторов составит 4 – 1.88 = 2.12 USD (157 руб. при курсе 74 руб./USD). Это в 2.3 раза меньше значения, рассчитанного по формуле (3). Из-за этого срок, для которого замена транзистора окажется экономически выгодной, уже уменьшится до 100/2.3 = 43.5 тысяч часов, или приблизительно 5 лет при круглосуточном режиме работы.

Поскольку на транзисторе C2M1000170D, согласно термограммам (Рисунок 3), выделяется меньше тепла, то для его охлаждения можно использовать радиатор меньшей площади, что, в свою очередь, теоретически, позволит уменьшить площадь печатной платы. Поэтому предположение об абсолютно одинаковых преобразователях, собранных на абсолютно одинаковых печатных платах и элементной базе, скорее всего, также ошибочно, и остальные компоненты схемы на основе C2M1000170D обойдутся дешевле, чем при использовании STW4N150. Однако оценить эту разницу количественно, в данном случае, достаточно сложно, поскольку точных данных о радиаторе меньшей площади, использованном в эксперименте, к сожалению, нет.

Не следует также забывать, что расчеты были выполнены для «худшего» случая, когда разница в тепловыделении между двумя преобразователями минимальна. Если источник питания будет большую часть времени работать при другом входном напряжении, то и разница в величине потерь будет больше. Кроме того, вряд ли в реальной аппаратуре вспомогательный источник питания будет основную часть времени работать при полной нагрузке. Скорее всего, он будет нагружен в среднем на 50…60%, а это значит, что разница в КПД может оказаться еще больше, ведь карбид-кремниевые транзисторы имеют меньшие значения паразитных емкостей, а, следовательно, и меньший уровень динамических потерь. И это будет сказываться именно при уменьшении мощности, поскольку в этом случае динамические потери будут преобладать над статическими. Поэтому разница в величине потерь на уровне 0.62 Вт взята исключительно ради сохранения объективности и непредвзятости. Да и результатов других экспериментов, например, по оценке величины собственного энергопотребления этих плат, к сожалению, нет.

И последний, но очень важный момент. Цена на электроэнергию зависит от страны, региона, поставщика и потребителя. Если взять в качестве примера Германию, имеющую одну из самых высоких цен на электроэнергию, то окажется, что при тарифе для предприятий 0.26 USD/кВт∙ч для того, чтобы замена транзистора была экономически выгодной, необходимо сэкономить всего 2.12/0.26 = 8.15 кВт∙ч. При разнице потерь 0.62 Вт для этого потребуется всего 8.15/0.00062 ≈ 13 тысяч часов, что при круглосуточном графике работы составит менее двух лет. А если учесть, что стоимость электричества, как и других энергоносителей из-за глобального экологического кризиса будет только расти, эта цифра будет еще меньше.

Таким образом, в данном случае использование новых технологий может быть экономически выгодно и их следует использовать. Однако экономические расчеты, в отличие от физических, зависят от множества факторов, которые иногда достаточно сложно определить, а еще сложнее – спрогнозировать (существующая ситуация с коронавирусом является тому реальным подтверждением). Из-за этого стоимость ватта потерь значительно зависит от страны, региона, предприятия и даже от конкретного целевого назначения одной и той аппаратуры. В данном случае (нужно же ответить на вопрос, вынесенный в заголовок статьи), в Москве ватт потерь будет стоить 0.6 коп/ч (0.000078 USD/ч), а в Берлине – 0.00026 USD/ч, что в 3.33 раза дороже. А еще не следует забывать, что экономические взаимоотношения зависят, в первую очередь, от людей, которые, при желании, всегда смогут договориться, и ватт потерь, в общем случае, может обойтись совершенно бесплатно.

  1. 60W Auxiliary Power Supply Demonstration board
  2. SiC MOSFET 1700 В как ключевой элемент вспомогательных источников питания
  3. Цены на радиоэлементы на сайте РадиоЛоцман
  4. Цены на радиоэлементы на сайте FindChips
  5. Тарифы на электроэнергию для потребителей с максимальной мощностью до 670 кВт
  6. Список стран по стоимости электроэнергии (Википедия)

Добавить свое объявление

* заполните обязательные данные

Статистика eFaster:

посетило сегодня 60
сейчас смотрят 3
представлено поставщиков 606
загружено
позиций
25 067 862