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。