| 详细介绍：
德国阳光蓄电池使用特性：
□ 在整个使用寿命期间免维护。
□ 温度20℃时，寿命长达10年，12年以上的实际运行经验确保了它的高度可靠性。
□ dryfit 技术：电解液固定在胶质中，不会发生泄漏。
□ 因气体重组低，所损失气体很少。
□ 组合体使用板状极板。
□ 依据IATA条款，对铁路和公路运输场合不作限制。
□ 非常低的自放电率：20℃最长可存放2年。由于自放电率低，即使储存两年也可不需充电便立即投入运行。
□ 再充电时间短。
□ 优良的大电流放电功能。
□ 符合DIN43539第5部分：深度放电仍很安全。
□ 容量从5.5安时到180安时。
□ 经济：杰出的性能/价格比，以及极低的服务成本。
1、德国阳光蓄电池板
德国阳光蓄电池是太阳能电池板是在有阳光时用来产生电能的，发电功率要根据照明用电的功率和照明时间来计算。如照明灯具的功率是2瓦，要求没有阳光时连续照明时间10小时，再考虑变换电路的变换损失，太阳能电池板的发电功率必须是3瓦左右。
2、德国阳光蓄电池参数
德国阳光蓄电池的作用是把有阳光时太阳能电池发出的电存储起来，供没有阳光时使用。蓄电池的容量要根据太阳能电池板的功率和LED灯的功率以及照明时间来决定。如配合2瓦的LED灯，3瓦的太阳能电池板，没有太阳时要求连续照明时间10小时，可选用12V/2.2AH的蓄电池。
3、德国阳光蓄电池充电控制电路
这部分电路的功能是在阳光充足，光照时间长的时候控制充电程度，电池充满即停止充电，不使蓄电池过充损坏，以保护蓄电池，延长其使用寿命。
4、德国阳光蓄电池LED驱动器
这是系统的核心控制电路。它的功能有三个：
①、完成发光二极管的恒流驱动控制，使流过发光管的电流不随蓄电池的电压变化
②、具有光控功能，天亮时自动关灯，天黑时自动开灯。
③、低电压保护。当电池电压下降到10.8伏时输出关闭，以免过放电损坏蓄电池。
智能ECO电源架构
从历史角度看,数据中心的设计人员和管理人员很难平衡数据中心管理系统可用性和效率之间的关系。双变换式UPS系统可提供高可用性,但无法同时具备互动式UPS的高效率。双变换技术包括稳压稳频技术和更好地将敏感电子设备与市电进行隔离,但该双变换技术会产生一些能耗损失。
然而双变换UPS技术的改进型弥补了效率方面的不足,双变换式UPS系统通过采用新的技术功能,实现智能ECO UPS的高效率。
一般双变换UPS的变换过程约消耗4%～6%能源。但通过新的高效智能ECO方案可以提高UPS效率。当市电质量达到最佳时,智能ECO高效率变换过程可通过旁路实现。上述方案主要通过在UPS输出设计一个自动静态开关旁路。旁路工作速度较快,确保负载在旁路与逆变切换时对负载不间断供电。静态开关转移时间为4ms,以尽量避免引起IT设备断电的可能性。通过智能控制,UPS检测旁路市电在IT设备工作范围内时,UPS保持旁路运行状态而回避主路交流-直流-交流低效率运行方式。
当UPS检测到供电质量下降到外界公认标准时,旁路断开,将电源切换至逆变器,从而纠正异常现象。逆变器须随时接受100%负载,这一状态须通过功率控制实现。切换必须不间断进行,以防关键总线的中断。较传统运行模式可节省4.1%～4.5%的能耗。
UPS控制的另一个全新功能是智能休眠并联,它可帮助节省更多的能源。智能并联可通过休眠那些不需要支持负载运行的UPS模块及利用高负载率来实现内部的效率提升,从而提高整个冗余UPS系统的效率。
执行UPS的智能ECO模式,采用智能休眠并联技术优化UPS至服务器及其他连接设备的配电路径可减少数据中心总能耗约4%。
(7)温度和风量管理
能效逻辑1.0主张机架布置时使用热通道/冷通道,并强调地板密封间隙的重要性。此外,还建议将冷冻水的温度提高至50°F(10℃)。该方法可降低总设施能源成本的1%,且几乎不需要进行技术投资。能效逻辑2.0结合了最初能效逻辑中的最佳实践,并通过密封技术、智能控制和节能,使温度、湿度和风量管理更上一个台阶,且颇受大部分数据中心的欢迎。
从效率的角度出发,防止热风和冷风混合的首要措施是使机房空调的回风温度达到最大值。回风温度和显冷量间的关系如图6所示。图中回风温度每上升10°F(5.6℃),机房空调容量明显提高30%～38%,具体提高率主要取决于系统的类型。利用该附加容量可以使压缩机带载时间缩短,以及降低冷冻水流量来减少水泵功耗。同时提高机房空调的显热比(SHR),使其无限接近于1,并避免不必要的除湿。
图6 机房空调的效率随回风温度的升高而提高
机架安置于热通道/冷通道中,使用挡板遮挡机架开口时,该机架用作冷热通道间的屏障。但即使使用挡板,热风仍可从通道的顶部和两侧缝隙泄露出来,与冷通道的风混合。
列间机房空调可在封闭环境中运行,以补充或代替外围冷却。其接近热源有助于控制温度和湿度,实现精确控制。通过将机房空调单元直接放至热源附近,可直接吸取最高温度的热回风,从而实现制冷效率的最大化。列间机房空调的缺点是将占据更多的IT机架空间,但通过能效逻辑2.0,可节省空间,从而消除此顾虑。
智能控制允许将冷却控制的条件从回风温度控制转变为服务器温度控制,这对效率优化至关重要。通过服务器温度控制,确保压缩机/冷冻水容量和降低风量的最优匹配,同时提高冷风道的送风温度,使其接近美国采暖、冷却与空调工程师学会(ASHRAE)关于A1至A4类数据中心所规定的安全运行阈值(最大值为80.5°F;27℃)。据艾默生网络能源研究表明,冷通道送风温度每上升10°F(5.6℃),机房空调可节省20%的能耗。但送风温度过高会导致服务器风扇运行困难,使得在提高PUE效率的同时,实际上增加了整体的能耗。DCIM系统可通过比对机房空调温度和服务器能源消耗模式,以帮助确定最佳冷通道温度。
在评估节约方法时,须慎重考虑室外空气对数据中心湿度的影响。在寒冷的冬天,通过新风节能系统引进外部空气会降低机房湿度,从而导致静电放电损害设备。使用加湿器将湿度控制在合理范围内,但其会消耗节能系统所节省的部分能源。而流体侧“板换”节能系统可避免该问题,其主要措施是在冬天利用外部冷空气来冷却液体(水/乙二醇),再利用回路中已冷却的液体作为空调系统冷源,而无需开启压缩机。该方法可确保外部空气无法进入封闭数据中心环境,从而避免处理室外新风。因此,数据中心通常优选流体侧节能系统。
另一种流体侧节能系统主要使用SDC泵循环将冷却剂作为冬季的“Free cooling”系统。泵循环直接和压缩机并联,该方法省去其他节能系统的额外风扇、水泵或盘管。
能效逻辑2.0的其他策略已显著降低机房空调的负荷,温度和风量管理可再降低5.2%的能耗。
(8)可变容量冷却
和IT系统本身一样,机房空调须按照峰值负荷的条件进行配置,尽管这在典型数据中心并不常见。因此,机房空调必须保证部分负荷运行时的效率。这对只能通过启停调节制冷量的传统机房空调是一个严峻挑战。现今的机房空调采用一系列新技术来提高部分负荷的运行效率,包括上述运用于温度和风量管理的技术。
冷冻水机房空调中,用于地板送风的风机是最大的能源消耗设备。尽管变频器可显著改进传统定速风机效率,但EC风机可更好地提高机房空调的效率。从本质上讲,EC风机比传统离心风机的效率更高。变频器和EC风机均可安装于现有的机房空调或新设备中,并与上述智能控制协同运行。
DX及冷冻水主机中使用可变容量压缩机可使各系统在未满负载运行的情形下,以更高的效率运行,从而提高效率。为直接蒸发式机房空调提供可变容量的方法有很多,最常用的两种是四步压缩机卸载技术和Digital Scroll数码涡旋压缩机技术。
可变容量冷却可提高部分负荷情形下的运行效率,从而额外节省2.6%的数据中心能耗。
(9)高密度冷却
经证实,传统室内机房空调可高效地为IT设备维持安全和受控的环境。但对数据中心能源效率进行优化时,需要从传统数据中心密度环境(每台机架2～3kW)转移到更高热密度的机房环境。
这要求将机房的补充空调(CRV/XDH/XDO/XDV)安装于设备机架顶部或旁侧,将热风直接从热通道中抽走,并将冷风送入冷通道,从而实现冷却。该方法可通过将机房空调靠近热源,以降低风机消耗功率,从而降低冷却成本。同时,还利用高效换热盘管,仅提供显冷量,显冷方式主要适用于只发热不产湿的电子设备。此外,水冷背板(COOLTHERM)还可应用于机架的后部,直接带走热量不散入机房。
制冷剂可通过架空管道系统送至冷却末端,且该冷却末端一经安装后,可根据环境变化轻松添加或重新安装冷却末端。
水冷背板(COOLTHERM)可安装在机架后部实现辅助冷却。但相比于补充空调(CRV/XDH/XDO/XDV),水冷系统中的水有泄漏风险。因此,设备机架本身或周围在使用水冷冷却时,须同时使用漏水检测系统。
此外,所安装的用于支持补充空调(CRV/XDH/XDO/XDV)制冷剂传输系统也可支持新一代的芯片制冷,并保证通过制冷剂直接带走服务器的热量,这样就不需要使用服务器风扇来散热。
高密度冷却可额外节省基础数据中心能耗的1.5%。
(10)数据中心基础设施管理
数据中心基础设施管理技术可采集、整合、集成IT和各设备系统的数据,如图7所示。从而实时显示运行情况,帮助优化数据中心的效率、容量和可用性。当超出预定限制范围时可发出警报,到安全发掘未使用的基础设施容量,并提供可视化图形标注哪些容量可用,哪些不可用,DCIM汇集了不同系统中的数据,以创建数据中心统一的数据。同时,DCIM可通过“自动发现数据中心系统”,并简化新系统的规划和执行流程,从而大幅度提高效率。
图7 DCIM承诺在各设备和IT系统的实时数据的基础上,实现闭环控制
若没有DCIM系统提供实时的可见性管理,数据中心的人员必须实行保守管理策略,以避免任何可能增加系统停机风险。这将导致系统的规模过大,且无法充分利用,同时增加了投资成本和运行成本。通过实时管理和控制,各组织可在确保数据中心系统合理使用能源的同时,充分利用现有的技术,如服务器电源管理技术和虚拟化技术。
由于DCIM是能效逻辑2.0中多项策略的组成部分,因此本模型不会单独为DCIM分配节能比例。
5 PUE分析
尽管PUE已成为广泛用于衡量数据中心效率的指标,但能效逻辑却凸显了PUE的局限性,并强调了全面检测数据中心性能的重要性。
图8是假定在未采取任何改善措施前,能效逻辑2.0中基础数据中心的PUE值约为1.9。例如某一组织仅采用能效逻辑2.0中的前5项措施,并选择使用高效、虚拟化且带有电源管理的服务器替换老式服务器来改造其数据中心,则该数据中心在维持目前性能水平的同时,总能耗将降低650kW。但是该设施的PUE值实际上会稍有偏差,即从1.92变为1.94。相反,若组织选择从电源和机房空调入手,同时执行策略6、7、8、9,则节省能耗虽然仅为200kW,但PUE值将显著改善。
执行能效逻辑中的全部10项策略可提高IT和支持系统的效率,降低支持系统的负荷,并将PUE值从1.92降低至1.28。
图8 能效逻辑2.0中的前5项策略可大幅度减少能耗,但却略微提高PUE值
6 能效逻辑中的关键点
能效逻辑构建了一个清晰的节能路线图,以大幅度减少数据中心能耗,同时不影响数据中心的性能。分析表明,若某组织能够系统地采用能效逻辑2.0的路线图,则可降低70%以上的能耗,同时还可消除数据中心成长扩容中的制约因素。
作为对能效逻辑2.0的支撑,还创建了能效逻辑2.0级联节能计算器。输入某特定设备的IT负载和PUE值后,计算器用户可看到单项能效逻辑2.0策略对IT负载、PUE值和能源成本的影响。
并非每个组织都能采用能效逻辑2.0策略。但该类组织考虑改进数据中心时,仍可参照本文的下列4条分析内容,从能效逻辑2.0中获益。
(1)利用级联效应
由于支持系统占数据中心能源消耗的比例相对较高,却无法直接提高数据中心的输出,因此该类系统成为被攻击的第一对象。但支持系统的负荷由IT负载决定;若IT系统效率提高,则可促进支持系统效率的提高。此外,比例相对较高的IT系统(指闲置的服务器)对数据中心的输出也没有贡献,这主要归因于级联效应——该类非生产性IT系统不仅自身耗能,而且将间接导致其支持的电源和机房空调耗能。实际上,基础能效逻辑数据中心中,一台闲置的200W服务器将消耗381W电力。这意味着每瓦未被利用的服务器容量实际上将浪费1.91W能耗(见图9)。
图9 一台闲置的200W服务器将消耗381W能源,包括支持系统所消耗的能源
(2)提高效率而不损害系统的可用性和灵活性
数据中心能源消耗已为依赖数据中心的企业带来了麻烦和诸多问题,因此企业正在寻求该问题的市场化解决方案。很遗憾,该类“解决方案”均将效率放在首位,从而忽略了系统的可用性和灵活性,其实没有必要采用这种做法去承担风险。经验证明,能效逻辑2.0可以运用相关公认技术大幅度降低数据中心能耗,且不影响数据中心提供服务的性能。
(3)密度越大,效率越高
尽管如今许多数据中心管理员绝大部分时间都在管理密度远低于每台机架5kW的设备,但现今的服务器和支持系统经过专门的设计,已能实现高密度部署。每台机架20kW的密度可能会使数据中心管理员感到担忧,但如今的数据中心可通过专门设计来实现空间随需扩展,从而安全、有效地支持高效率密度设备运行。
(4)容量与效率矛盾
虽然电力成本在不断上升,但某些地区仍相对非常便宜。这导致部分企业或组织优化效率的步伐停滞不前。但能效逻辑路线图不仅仅是一套用于降低能耗的解决方案,还是一套可用于提高计算能力的解决方案。能效逻辑可通过消除计算和存储能力增长的制约因素,从而使企业或组织不必花费高昂成本去投资构建新设施就可满足用户计算与存储能力增长的需求。
绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,简称IGBT)是由功率MOSFET和GTR复合而成的一种具有电压控制的双极型自关断器件。GTR饱和压降低,载流密度大,但驱动电流较大,驱动电路复杂;功率MOSFET驱动功率小,驱动电路简单,开关速度快,但导通压降大,载流密度小。IGBT综合了GTR和功率MOSFET的优点,具有输入阻抗高、开关速度快、驱动功率小、饱和压降低、控制电路简单、耐压高、承受电流大等特点,在各种电力变换器中获得极广泛的应用。由于设计最佳化及近年来应用了大容量存储器的工艺技术,其特性有了很大的改善,应用范围已超过了过去GTR及功率MOSFET。自1986年投入市场后,IGBT迅速扩展了应用领域,取代了GTR和一部分功率MOSFET的市场,成为中、大功率电力电子设备的主导器件,不仅应用于电力系统,而且也广泛应用于一般工业、交通运输、通信系统、计算机系统、新能源系统,还应用于照明、空调等家用电器中。目前IGBT的产品已系列化,产品中最高耐压为6500V,电流为1200A,并在继续努力提高电压、电流容量和开关频率。目前已成为应用最广泛的电力电子器件之一。
1 IGBT的基本结构
1.1 IGBT的基本结构
绝缘栅双极型晶体管本质上是一个场效应晶体管,在结构上与功率MOSFET相似,只是原功率MOSFET的漏极和漏区之间额外增加了一个P+型层。图2所示为一个N沟道增强型绝缘栅双极型晶体管结构剖面图,N+区称为源区,附于其上的电极称为“发射极”(等效于功率MOSFET中的源极)。器件的控制区为栅区,附于其上的电极称为“栅极”。N-层为漂移区,N+层为缓冲区(这个在IGBT中并非必需)。IGBT的结构中,栅极和源极与功率MOSFET相似,IGBT的结构与功率MOSFET的不同之处在于IGBT在N沟道功率MOSFET的N+层上增加了一个P+层,形成PN结J1,并由此引出漏极,在IGBT中称为“集电极”。
图2 IGBT结构
在IGBT中,与发射极连接的P区、漂移区N-区、缓冲区N+区、P+区构成了一个PNP型晶体管,如图2所示。连接集电极的P+型注入层是IGBT特有的功能区,起集电极的作用,向漂移区N-区注入空穴,对漂移区N-区进行电导调制,使IGBT在开通状态下,漂移区N-区保持较高的载流子浓度,以降低器件的通态电压。
IGBT的开通和关断是由栅极电压来控制的。当栅极加正向电压时,栅极下方的P区中形成电子载流子导电沟道,电子载流子由发射极的N+区通过导电沟道注入N-漂移区,即为IGBT内部的PNP型晶体管提供基极电流,从而PNP型晶体管导通,同时也使IGBT导通。此时,为维持N-漂移区的电平衡,P+区向N-漂移区注入空穴载流子,并保持漂移区N-区具有较高的载流子浓度,即对N-漂移区进行电导调制,减少漂移区的导通电阻,使具有长漂移区的高耐压IGBT也具有低的通态压降。若栅极上加负电压时,MOSFET内的沟道消失,PNP型晶体管的基极电流被切断,IGBT关断。
实际上,在IGBT结构中,除上面分析的内部PNP型晶体管外,还存在一个NPN型晶体管,它由与发射极连接的N+区、P体区、漂移区N-区构成。为了防止PNP型与NPN型晶体管组合发生晶闸管效应,设计时尽可能使该NPN型晶体管不起作用,如图1中,将NPN型晶体管的发射极和基极用铝电极短路。因此,IGBT的基本工作与NPN型晶体管无关,可以等效为由N沟道MOSFET作为输入级,PNP型晶体管作为输出级的达林顿管。IGBT相当于一个由MOSFET驱动的厚基区PNP型晶体管(见图3)。IGBT综合了功率MOSFET的快速开关特性和双极型晶体管导通压降低的优点。IGBT是以双极型晶体管为主导体、MOSFET为驱动件的复合器件。
1.2 IGBT的等效电路与图形符号
图3、图4所示为IGBT的图形符号,其中箭头方向表示IGBT开通时流过的电流方向。
图3 IGBT理想的等效电路
图4 常用IGBT图形符号
2 IGBT的基本工作原理
2.1 IGBT的阻断原理
IGBT与MOSFET是一样的,可以通过控制栅极与发射极之间的驱动电压来实现器件的导通和阻断。IGBT的正向阻断原理与MOSFET相似。当栅极电压UGE低于门槛电压UT时,在IGBT的栅极下方的P体区内,没有形成N型导电沟道,器件处于阻断状态。集电极-发射极之间的正向电压使PN结J2反向偏置,集电极-发射极之间的电压几乎全部由PN结J2承受,这时只有非常小的漏电流通过漂移区由集电极流向发射极。
2.2 IGBT的导通原理
当加在IGBT上的栅极电压高于门槛电压UT时,同MOSFET一样,在IGBT的栅极下方的P体区将形成一个导电沟道,将N-漂移区与IGBT的发射极下方的N+区连起来,如图5所示。大量的电子通过导电沟道从发射极注入N-漂移区,成为内部PNP型晶体管的基极电流,由于J1结正偏,导致大量的空穴由注入区P+区注入N-漂移区。注入N-漂移区的空穴通过漂移和扩散两种方式流过漂移区,最后到达P体区。当空穴进入P体区以后,吸引了大量来自发射极接触的金属的电子,这些电子注入P体区,并迅速地与空穴复合,形成器件的导通电流,IGBT处于导通状态。
图5 IGBT导通时的电流通路
图6所示为IGBT内部等效MOSFET和双极型晶体管GTR的结构。在IGBT导通时,其电流通过内部等效MOSFET和GTR导通。图6所示为IGBT的等效电路,IGBT为一个MOSFET与一个双极型晶体管达林顿连接而成。IGBT导通压降为
UCE(on)=UJ1+Udrift+ICRchannel (1)
式中,UJ1为PN结J1的导通压降;Udrift为漂移区体电阻上的压降;Rchannel为P体区的等效导通电阻。因为在IGBT中存在电导调制作用,使得Udrift远小于相同工况下功率MOSFET的导通压降,这样整个IGBT的导通压降将会比MOSFET导通压降要小。
图6 IGBT内部等效结构
2.3 IGBT的擎住效应
在IGBT中,内部的PNP型双极型晶体管和寄生NPN型双极型晶体管构成了一个晶闸管,如图7所示,存在晶闸管导通时的擎住效应。IGBT的擎住效应可以分为静态擎住效应和动态擎住效应。
静态擎住效应发生于导通状态的IGBT中。在IGBT内部存在两个晶体管,分别为PNP型晶体管和NPN型晶体管,在NPN型晶体管的基极和发射极之间并联一个等效体区电阻Rbr。当IGBT导通时,电流流过该体区电阻Rbr,并产生一定的压降,对于NPN型晶体管的基极来说,相当于加了一个正向偏置电压。在规定的集电极电流范围内,这个正向偏置电压不够大,因此NPN型晶体管不会导通。但是,当集电极电流增加到一定值时,这个正向偏置电压将使NPN型晶体管导通,并且与PNP型晶体管相互激励,在这两个晶体管内部形成类似于晶闸管导通时的电流正反馈现象,使得集电极电流迅速上升,达到饱和状态,如果这时IGBT的栅极控制信号撤除,IGBT仍将处于导通状态,这意味着这时IGBT的栅极将失去控制作用,这种现象称为“静态擎住效应”。
图7 IGBT等效连接图
IGBT在关断的过程中也会产生擎住效应,称为“动态擎住效应”。当IGBT关断时,IGBT内部的MOSFET功能单元关断十分迅速,在J2结上反向电压迅速建立,J2结上的电压变化引起位移电流CJ2(duDC/dt),该位移电流将在体区电阻Rbr上产生一个使内部寄生NPN型晶体管正向偏置的电压。因此IGBT关断速度越快,J2结上的电压变化也越快,由此产生的位移电流也越大,当位移电流超过某一临界值后,将使NPN型晶体管正偏导通,形成类似晶闸管导通过程的电流正反馈现象,产生动态擎住效应。动态擎住效应主要由电压变化率决定,此外还受集电极电流ICM及结温等因素影响。动态擎住效应所允许的集电极电流比静态擎住时的还要小,因此制造厂(商)所规定的临界集电极电流ICM是按不发生动态擎住效应所允许的最大集电极电流确定的。因此在使用IGBT时,必须限制IGBT的集电极电流,使其小于制造厂(商)规定的集电极电流最大值ICM。加大栅极驱动电阻将延长IGBT的关断时间,有利于减小电压变化率,限制IGBT的动态擎住效应。
3 IGBT的特性与参数
3.1 IGBT的静态特性
IGBT的静态特性是指以栅极驱动电压UGE为参变量,IGBT通态电流与集电极-发射极电压UCE之间的关系曲线。在一定的集电极-发射极电压UCE下,集电极电流受栅极驱动电压UGE的控制,UGE越高,IC越大。IGBT的伏安特性通常分为饱和区、线性放大区、正向阻断区和正向击穿区四个部分，如图8所示。IGBT导通时,应该使IGBT工作于饱和区；IGBT在关断状态下，外加电压由J2结承担，应该保证IGBT处于正向阻断区内，此时最大集电极-发射极电压不应该超过击穿电压UBR。
图8 IGBT的静态特性示意图
3.2 IGBT的转移特性
图9为IGBT转移特性示意图。转移特性表示的是IGBT集电极电流IC和栅极驱动电压UGE之间的关系,IGBT的转移特性与MOSFET的转移特性类似。当栅极驱动电压小于门槛电压UT时,IGBT处于关断状态。在IGBT导通后的大部分集电极电流范围内,当栅极驱动电压高于门槛电压UT时,IGBT的集电极电流随着栅极驱动电压的增加而增加。最高栅极驱动电压受最大漏极电流限制,其最佳值一般取为15V左右。
图9 IGBT转移特性示意图
同MOSFET一样,IGBT的电流转移特性也受温度的影响,当处于大电流区域,在相同的栅极驱动电压条件下,集电极电流随着温度的上升而下降,表现出负温度系数特性。
|
放大图片
暂无相关下载
