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高端UPS需方市场 倒逼UPS技术创新

2017-5-26 9:33:55点击:
中国“天河一号”和“天河二号”婵联世界超级电脑冠军之后,美国禁止向中国出口芯片,于是倒逼中国国产芯片的研发,用中国芯片造出了全球最快的超级计算机“神威.太湖之光”。由此,扩大了高端UPS需方市场,倒逼UPS技术创新。

1 引言
  
  2016年6月2日,TOP500组织在法兰克福世界超算大会上运算速度全球第一的“神威•太湖之光”正式发布,成为世界上首台运算速度超过十亿亿次的超级计算机,如图1所示。读者可以想到“神威•太湖之光”身后及两侧的大柜子里面是些什么?可充电电池组估计是少不了的,高档的不间断电源(UPS)也是必须的。
  
  “神威•太湖之光”的上一代国产超级计算机是“天河二号”。2014年7月23日3kW高性能超级计算机电源项目,通过中国电子学会科技成果鉴定。这是为“天河二号”超级计算机定制的电源,该项目定名为“CDM3000”,与国际同类型电源技术参数对比全面领先(见表1),处于国际先进水平。
  
  中国长城电脑公司自主知识产权的创新产品CDM3000获得中国科技进步二等奖,具备I2C/PMBus的数据通讯协议智能化管理,还具有多种快速响应异常保护功能。
  
  2016年6月的“神威•太湖之光”超越“天河二号”数倍的容量和更快的速度,倒逼为之配套的UPS创新,才能适应高端需方市场的需求。
  
  2 从“中国电源学会2016年GaN杯大赛”的技术指标看电功效率95%!
  
  “中国电源学会2016年GaN杯大赛”的技术指标如下:
  
  (1)统一起跑钱:大赛指定并赠送最新一代氮化镓(GaN)电力电子开关,其中高压管(650V、7A)为GS66502B和低压管(100V、40A)为GS61004B;
  
  (2)隔离式,安全耐压2kV/1min;
  
  (3)直流输入电源300~400VDC;
  
  (4)输入电流纹波小于50mA;
  
  (5)输出直流单路12VDC、16.7A;
  
  (6)输出电压纹波小于200mV;
  
  (7)功率密度指标:每立方英寸10W以上;
  
  (8)低成本指标:PCB不超过4层,无风冷、无水冷,40℃环境温度自然散热;
  
  (9)电功效率(Eff)指标达到95%以上。
  
  由于输入直流电源300~400VDC,不必考虑APFC问题。对比前述“CDM3000”的电功效率94.5%而言,中国电源学会2016年GaN杯大赛旨在推广最新一代GaN电力电子开关,并力求电功效率超过95%为门槛,带动当代大学生用洪荒之力创新出优异的开关电源。
  
  广西大学电气工程学院开放“创新实验室”作为2016年GaN杯大赛DIY夏令营,组织在校学生三支队伍参赛,其中一个队伍获得参加全国决赛出线权。夏令营之后申报两项以上的发明专利,撰写多篇关于GaN杯大赛的论文。
  
  3 UPS创新的发展方向
  
  (1)可靠性第一
  
  据国际军工电子电源的故障统计如下:
  
  ①电源故障的三分之一因电力电子开关出问题;
  
  ②电源故障的四分之一因电解电容出问题;
  
  ③电源故障的五分之一因光耦及集成电路出问题;
  
  ④电源故障的六分之一因PCB与散热结构出问题;
  
  ⑤电阻、固体电容、电感、变压器与接插件等,故障率低而且随机分散性,通常用供货商订单协议来解决。
  
  中国电源学会2016年GaN杯大赛赠送最新一代氮化镓(GaN)电力电子开关管,就是针对上述可靠性的主要矛盾,有的放矢解决电力电子开关问题而为之。
  
  (2)电功效率Eff95%门槛,是挑战,也是机遇
  
  为什么“天河二号”世界第一的国产超级计算机配套的电源CDM3000只获得二等奖,而不是一等奖呢?也许是电功效率Eff还没有过95%的门槛。这也或许是“中国电源学会2016年GaN杯大赛”技术指标要求Eff达到95%以上的原因,这就意味着UPS创新的电功效率门槛必须是在95%以上。
  
  (3)“功率密度”的指标要实事求是前面指出“可靠性第一”是硬指标,又提到“电功效率95%”门槛难过但必须跨越。而“功率密度”指标,须从订单要求与价格上实事求是实施。
  
  举例说:航空、航天、潜艇、导弹、卫星等对体积严格要求、价格较为宽松的订单,考虑用镍基铁氧体平面磁芯,用镀银平面绕组等特殊配件,工作频率上限由磁性材料特性决定工作频率MHz级以上,目的是缩小体积。
  
  20kHZ至200kHz用锰基铁氧体磁芯,成本比镍基铁氧体磁芯价格低,是目前开关电源主流高频架构件,体积稍大一些。
  
  20kHz左右的常用开关电源,还可以用非晶态磁芯,其导磁率较高,指定频率范围的体重损耗低于铁氧体磁芯,在民用开关电源取代铁氧体磁芯,总成本不高,既可取得较高的电功效率Eff,又能取得较轻的重量和较优的功率密度。
  
  (4)开关电源拓扑的创新
  
  传统的CUK拓扑是非隔离式,且是单个电力电子开关的。通过用比较法推导出创新的“隔离式CUK并联推挽拓扑”,如图2所示。该拓扑克服了直流偏磁问题,实现了软开关,特别是不再惧怕变压器绕组的漏电感这棘手问题,具有创新创业可持续发展前景。
  
  (5)重视“冲击电流”的问题,进行创新
  
  中国CDM3000电源的冲击电流小于20A,比较世界一流的GE产品的冲击电流40A而言少了一半,实属难得。要创新更低冲击电流的方案,广西大学电气工程学院团队研发了“交流电源无桥式整流无电解电容的隔离式AC-AC拓扑”。
  
  (6)倒逼UPS创新的“富矿”是“THD谐波能量化害为利”根据能量守恒定律,电功效率Eff提高的极艰是100%。现在已有诸多千瓦级的开关电源论文报导,Eff己超过95%大关。如何百尺竿头,更上一步呢?
  
  建议把目光聚焦到“THD谐波能量化害为利”的研究课题上来。利用磁集成技术,把占THD谐波能量之中比重较大的若干个频率,用LC串联谐振方法,提取若干频率的谐波能量,转化为直流电能,回馈到开关电源内部。既有效降低THD指标,净化了电源环境符合绿色生态原则,又化害为利,提升电功效率,一举多得。
  
  4 重视新一代半导体(GaN)的新器件产业化
  
  现在政府和民间大量投资生产GaN芯片,按照半导体的“摩尔法则”,每18到24个月,半导体性能提升一倍,而成本下降一半。虽然目前GaN昂贵,但凡事预则立,要提前研发,为下一阶段GaN降价时,大规模产业化做好前期准备。
  
  (1)GaN的品质因数远优于单晶硅Si
  
  ①Johnson品质因数

JMF传统单晶硅Si如果JMF定义为1,则GaN的JMF为790。
  
  ②Baliga品质因数

BFOM传统单晶硅Si如果定义为1,则GaN的BFOM为100。
  
  基于上述品质因数对比,GaN比较传统单晶硅半导体更适宜做高频率耐高温功率电力电子开关管。
  
  (2)GaN的示意图与特性简介
  
  (3)图3分别为GaNE-HEMT、MOSFET、IGBT示意图,对照GaNE-HEMT没有寄生二极管,从本上克服MOSFET和IGBT寄生体二极管的“反向电荷贮存”的问题,这是GaNE-HEMT与传统的MOSFET和IGBT最大的区别,也是GaNE-HEMT最明显的优势。
  
  GaNE-HEMT逆向传导有二极管特性受控Ugs,如图4所示。
  
  MOSFET和IGBT的体二极管是不受Ugs控制的,但没有体二极管(PN结)的GaNE-HEMT的双向导通是受Ugs控制的。GaN良好的特性使其必将在广泛的领域得到应用。
  
  5 结束语
  
  (1)美国禁止向中国出口超级计算机芯片,妄图中断中国超级计算机“天河一号”和“天河二号”婵联世界超级计算机第一、第二名的可持续性,倒逼中国研制自主知识产权芯片,“神威•太湖之光”的自我持续超越和可持续发展,这必将引领全球UPS高端需方市场新的竞争。
  
  (2)中国为“天河二号”配套的“CDM3000”电源与世界名牌电源对比各项指标全面胜出,从中也体现对高端UPS电源产业倒逼创新的压力!
  
  (3)新一代GaN半导体电力电子开关,有助于UPS高端产品的创新及创品牌的机遇。注意半导体“摩尔法则”,须笨鸟先飞,提前研发。
  
  (4)未来高端UPS创新将“高可靠性”和“电功效率”两项硬指标,作为创新品牌主要渠道,同时性价比竞争还体现在“功率密度”(轻、薄、短、小)等项,适应市场不同用户需求。