电力电子设备在转换电能过程中的效率如何计算

电力电子效率‌是指电力电子设备在转换电能过程中的效率，通常定义为输出功率与输入功率的比值。具体来说，电力电子效率可以通过以下公式计算：电力电子效率=输出功率输入功率×100%电力电子效率=输入功率输出功率×100%提高电力电子效率的方法

‌使用宽禁带半导体‌：宽禁带半导体如碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)能够显著降低开关和传导损耗，提高效率。例如，基于SiC的设计在广泛温度范围内提供高鲁棒性和效率，与基于硅(Si)的设计相比，显著降低了开关和传导损耗‌1。优化电路设计‌：通过优化电路设计，如采用多级降压转换器，可以有效降低导通压降，提高转换效率。例如，通过将电压分两步转换，可以在中间设置一个中间电压，从而减少电感峰值电流，降低功率损耗‌2。‌采用高效冷却技术‌：高效的冷却技术可以帮助降低设备运行温度，减少因过热导致的效率损失，从而提高整体系统的稳定性‌1。电力电子效率对于电力系统的高效运行至关重要。高效率的电力电子设备能够减少能源浪费，降低运行成本，减少温室气体排放，符合可持续发展的要求。此外，高效电力电子设备还能提高系统的可靠性和寿命，减少维护成本，从而在整体上提升电力系统的经济性和环境友好性‌34。

电力电子的概念已经发展，如今它与与电力转换、其控制和相对效率相关的技术相关联。该部门还与适合能源转换的所有电气和电子系统密切相关。在电力电子中进行的电路研究主要集中在效率上。能源是一种非常宝贵的资源，必须以尽可能最便宜的方式使用。正是由于这个原因，必须尽量减少电子设备中的散热和功率损耗。

换句话说，从设备的输入端传递到输出端的能量不应该减少和减少。电力电子系统的应用越来越多，跨越不同的领域。DC/DC、AC/DC 和 AC/AC 转换器、不间断电源、电池充电器和电源只是功率因数校正和绝缘概念发挥作用的一些示例。在企业、工厂甚至家庭中，有许多设备会吸收大量能量。它们必须以最佳方式设计，以确保极高的安全性和可靠性，但最重要的是，要超过政府和当局为获得认证而规定的规格。电力电子的目的是节省电力，降低运营成本并提高电气系统的安全性。它们必须以最佳方式设计，以确保极高的安全性和可靠性，但最重要的是，要超过政府和当局为获得认证而规定的规格。

电力电子技术是半导体电子在电力控制和转换方面的应用[2]。这些半导体是功率晶体管和二极管，它们将输入电压接通和断开，形成无源组件网络，将其转换为不同的电压电平。功率半导体技术的进步促使电能处理效率得到进一步提升。

为确保电能转换系统正确运行，需要通过嵌入式数字计算机，采用每秒运行数千次的复杂算法来予以控制。该计算机负责监测系统运行情况，并根据各种参数和设定的目标来调整系统行为。这种调整能力被嵌入到包含了系统和应用知识的数字算法中。

电力电子技术将数字字节(信息)与电子流相融合，从而以最优的方式工作。电力电子技术与数字技术的结合，是促使电网成为碳中和能源系统支柱的关键因素。

电力电子的目的是节省电力，降低运营成本并提高电气系统的安全性。它们必须以最佳方式设计，以确保极高的安全性和可靠性，但最重要的是，要超过政府和当局为获得认证而规定的规格。电力电子的目的是节省电力，降低运营成本并提高电气系统的安全性。电力电子满载效率是电力电子装置在额定电流或额定功率下的效率水平。这个指标是描述电力电子器件或电路在最大负载情况下的能量利用率的重要参数之一。在实际应用中，电力电子满载效率的高低直接影响到整个电力系统的能效水平。电力电子满载效率通常是以百分比形式表示，计算方法是将输出功率除以输入功率，再乘以100%。电力电子满载效率越高，代表着能量的损耗越小，能量转化效率越高。因此，提高电力电子满载效率可以有效节约能源，减少对环境的影响。在实际工作中，电力电子满载效率的提高需要从多方面进行优化，如选择合适的器件和电路结构、优化控制算法等。值得注意的是，电力电子装置的运行状态通常会发生变化，因此除了满载效率，还应该关注其在不同工作状态下的能效特性，以达到最佳的能量利用效果。在实际生产和能源管理中，对于电力电子满载效率的重视，也促进了节能技术的发展与应用，推动整个能源行业的可持续发展。

能量转换效率是一个重要的指标，各制造商摩拳擦掌希望在95%的基础上再有所提升。为了实现这一提升，开始逐渐采用越来越复杂的转换拓扑，如移相全桥(PSFB)和LLC变换器。而且二极管将逐渐被功耗更低的MOSFET所取代，宽带隙(WBG)器件更是以其惊人的开关速度被誉为未来的半导体业明珠。

然而，最终用户要放眼全局，更关心的是整个系统或流程的效率，即在履行环保义务的同时谋求利润最大化。他们明白，当考虑到整个寿命周期成本时，逐步减少能量转换过程中的小部分损失并不一定会带来总体成本或环境效益的大幅提升。另一方面，将更多能量转换设备集成到更小的封装中，即提高“功率密度”，可以更有效地利用工厂或数据中心的占地面积，并以现有的管理成本创造出更多的价值。

在电力电子领域，效率是一个很容易被概念化的术语——100%就是好，0%就是差。但这与你所占的角度有关，例如，对于数据中心而言，其整体电力效率近乎为零，也就是说从电网获取的所有电力几乎全部转换为刀片服务器、电源和冷却系统电子设备所产生的热量。但如果能充分利用这些热量为数据中心带来收入，效果就完全不同了，这也是在多数行业广为采纳的一种方法。所以如果你想在获取利益的同时节省成本和空间，真正的问题是如何在最大化生产力的同时最小化总功耗。

数据中心管理人员深知这一点，而且每天都需要考虑如何在提升数据处理能力和速度的同时尽可能降低电费，并从资本投资中获得回报。他们别无选择，只能增加服务器，即使会带来数千瓦的功耗，但可以计算出因此而得到的货币价值，并抵消掉额外的能源和资金成本。在工业上，如果需要增加一台100kw的电机，在产生更多净输出的同时，也会不可避免地增加电机驱动及供电压力。在所有行业中，电源本身没有增加任何商业价值，但又不可缺少，因此，电力供应中消耗的每一项运营费用和每一点功率损耗都被视为降低了利润。这无形中给电力电子制造商带来了更多压力，要求他们通过提高电力效率来降低损失。

能源转换设备供应商可能会为了在非常特定的条件下声称的效率而相互竞争，但对最终用户来说，重要的是其生产效率及盈利能力。通过消耗更少的能源节省几美元是一件好事，但通过增加机柜或机架中的设备密度以及提高每立方英尺的生产率所获得的收益可能更有吸引力。数据中心和制造业的建筑面积有一种“美元密度”的说法，这是实现收入所必须达到的一项货币价值，以千美元/平方英尺为单位，因此缩小电子设备的规模，以提供更高的生产空间，才能获得真正的收益。如果这意味着在需要扩展时不再急需采购完整的额外机柜，那么从短期和长期来看都将节省更多的成本。

通过相关的能源转换器实现更高的电子密度，正促使系统架构师将“功率密度”视为一个越来越重要的指标。然而，与端到端电气效率不同，完整系统的功率密度非常难以比较，因为需要考虑的因素太多。比如，在典型工业机柜中，可能有开关设备、连接器、安装在机箱上的电磁干扰(EMI)滤波器、产生中间电压的AC/DC转换器、大电流母线、负载处的DC/DC转换器、风扇及其自身的电源和安装硬件，甚至还包括空调机组。在控制柜中，负载可能是外部的，例如电动机。在这种情况下，能源转换设备的体积占整个空间的很大一部分，任何节省下来的空间都可用于安装更多的控制电子设备。不过，因为添加设备会消耗更多的功率，所以收益也会减少。控制柜还可能受到要求使用标准化硬件(如用于设备安装的DIN导轨)带来的限制，同时供应商推出的产品越来越窄，而输入/输出连接器尺寸的可用性也往往定义了最低要求。30W AC/DC的宽度现在只有21mm左右，而480W部件的尺寸可以达到48mm宽x124mm高。机柜内的冷却系统(如果有)可能只是由入口温度不确定的风扇组成，因此能源转换器的额定值往往只能针对在没有底盘散热的高温气流中运行的前提条件来确定。这使得能源转换密度的值相对较低，每25立方毫米约为10到20瓦。