Проблемы и тенденции развития мощных вторичных источников питания

Активное охлаждение – достоинства и недостатки вентиляторов

Ниже приведены сильные и слабые стороны охлаждения с использованием механических вентиляторов:

Преимущества:

• низкая цена
• удовлетворительная производительность в нормальных условиях эксплуатации
• маленький размер и вес

Недостатки:

• высокая частота отказов
• громкая работа
• необходимость подачи электроэнергии
• износ механических компонентов
• быстрое накопление пыли и другой грязи

Обладая двумя основными преимуществами: хорошей производительностью и низкой стоимостью, активное охлаждение, к сожалению, имеет много недостатков, среди которых наиболее неприятным является шум, сопровождающий работу вентиляторов.

Конечно, современные компьютеры работают намного тише, чем их предшественники, также можно настроить уровень работы (автоматический и ручной – с помощью специальной клавиши увеличения и уменьшения скорости вращения или специального программного обеспечения), но они, несомненно, останутся источником шума.

Импульсные модулирующие циклоконверторы

Традиционно под циклоконверторами (ЦК) понимаются тиристорные преобразователи частоты с непосредственной связью, т. е. без промежуточного фильтрового звена постоянного напряжения (конденсаторного) или постоянного тока (реакторного) . Принцип действия классического циклоконвертора связан с однократным преобразованием электроэнергии переменного тока нестабильной (обычно повышенной) частоты в электроэнергию переменного тока постоянной частоты (например, 400 или 50 Гц) путем циклического разнополярного выпрямления переменного тока с амплитудной (или фазовой) модуляцией средневыпрямленного напряжения.

По сравнению с преобразователем частоты (ПЧ) с промежуточным реакторным звеном постоянного тока (L_р), ЦК отличается более высоким КПД, лучшими массо-габаритными параметрами (при том же качестве выходного напряжения) и возможностью общего заземления сетевых нейтралей (рис. 1).

Однако общим недостатком ЦК и ПЧ с L_р является плохое качество входного и выходного тока, а именно — низкое значение коэффициента потребляемой мощности и высокое значение коэффициента нелинейных искажений (гармоник) выходного тока. Следствием этого являются низкий общий КПД преобразования (из-за больших тепловых потерь в цепях первичной и вторичной сетей), большие массо-габаритные показатели выходных фильтров и первичного источника питания и большая помехоэмиссия (плохие параметры ЭМС).

В отличие от указанного традиционного (более раннего) понимания термина «конвертор» как «восстановителя того же вида, но с измененными параметрами качества», в данной работе используется более позднее и более узкое толкование в силовой электронике этого термина, а именно — преобразователь постоянного напряжения в постоянное (шире: постоянного или однополярно-пульсирующего напряжения в аналогичное, но с другими параметрами качества).

В указанном выше контексте широкого толкования термина «конвертор» под импульсным модулирующим циклоконвертором (ИМЦК) понимается импульсный конвертор с циклически повторяющимся законом высокочастотной широтно-импульсной модуляции постоянного или выпрямленного пульсирующего питающего напряжения (с синусоидальной огибающей) с последующей реакторной демодуляцией и коммутацией полярностей для выделения низкочастотной синусоидальной огибающей — выходного тока.

Для реализации указанных процессов в составе автономных инверторов и преобразователей частоты используются рассмотренные выше модулирующие импульсные конверторы, а также рассматриваемые ниже реакторные демодуляторы и коммутаторы полярности выходного тока.

ПЧ с промежуточной импульсной модуляцией

Важнейшей задачей ПЧ является обеспечение двунаправленности потока преобразуемой мощности (обратимость преобразования), диктуемое:

• реактивными составляющими тока в цепях нагрузки;
• способностью питания электроприводных двигателей с рекуперативным торможением;
• обеспечением стартерного режима для автономного синхронного генератора, питающего первичную сеть;
• необходимостью межсетевого резервирования питания.

Первые две из перечисленных задач характерны также и для АИСН, питаемых от химических источников постоянного тока или от выпрямленных устройств с энергоемким емкостным электролитическим фильтром. Выполнение функции обратного преобразования энергии не обязательно должно сопровождаться коррекцией коэффициента мощности, потребляемой от нагрузки или от вторичной сети. Поэтому входной ток обратного питания может быть и прерывистым.

Отметим, что все структуры автономных инверторов, приведенные на рис. 5, в принципе способны обеспечить обратное преобразование мощности при соответствующем изменении алгоритма управления.

Одним из наглядных примеров реализации структуры ПЧ с промежуточной импульсной модуляцией является схема однофазного ПЧ на базе РДМ с пульсирующим однонаправленным током, представленная на рис. 6а. Она содержит: сетевой фильтр с повышающим корректором коэффициента мощности (СФ-ККМ), два идентичных мостовых обратимых управляемых выпрямителя/коммутатора полярности (УВ/КП и КП/УВ), понижающе-повышающие импульсные модулирующие конверторы (ИМК_1,2) и РДМ. На рис. 6б приведены временные диаграммы токов в первичной и вторичной сетях (i₁, i₂) и в цепи реактора (I_р), а также напряжений первичной сети (u₁) и выпрямленного (u_d). В схеме СФ-ККМ применен диодно-транзисторный ключ переменного тока с высокочастотной ШИМ, обеспечивающий коэффициент потребляемой из первичной сети мощности, близкий к единице. Блоки УВ/КП и КП/УВ имеют синхронное управление без фазового запаздывания (без регулирования). Моменты включения транзисторов ИМК₁ и ИМК₂ синхронизированы с моментами включения транзисторов РДМ. При этом ШИМ среднего значения тока реактора (L_р) производится за счет изменения коэффициента заполнения γ₁ импульсов ИМК₁ (или ИМК₂), а регулирование выходных токов при прямом и обратном преобразовании — за счет аналогичного коэффициента γ₂ транзисторов РДМ.

Рис. 6.
а) Схема однофазного преобразователя частоты на базе РДМ с пульсирующим однонаправленным током;
б) временные диаграммы токов и напряжений

Следует, однако, отметить два существенных недостатка рассмотренной схемы:

• большое количество электронных ключей (18 шт.) и, соответственно, тепловых потерь в них, что снижает КПД и надежность схемы и требует дополнительных массо-габаритных затрат на теплоотвод;
• отсутствие общего для входа и выхода заземленного (нулевого) вывода, что сильно затрудняет реализацию многофазности структуры.

Водяное или активное охлаждение

Принцип работы водяного охлаждения базируется на циркуляции охлаждающей жидкости (это может быть вода, но не обязательно – производители предлагают, например, специальные токонепроводящие жидкости), которая протекает по системе шлангов и поступает в насос, обеспечивающий циркуляцию жидкости в системе. Пройдя через водяные блоки, размещенные на процессоре и графической карте, и получив от них тепло, она устремляется к радиатору, где охлаждается и, уже охлажденная, возвращается в цикл.

Роль датчика в вышеупомянутой системе заключается в отправке сигнального импульса для выключения ПК в случае обнаружения затухания движения жидкости в системе охлаждения.

Почему водяное охлаждение так эффективно? Это связано с тепловыми свойствами воды, которая обладает способностью поглощать в двадцать раз больше тепла, чем воздух. Небольшого количества хладагента достаточно, чтобы обеспечить идеальное охлаждение даже для процессоров, работающих в условиях высокой нагрузки (например, в играх), и когда пользователь применяет разгон (то есть повышение тактовой частоты для увеличения производительности процессора или видеокарты).

Стоит упомянуть что система жидкостного охлаждения настолько мала, что она подходит для размещения в корпусе, и даже если она окажется слишком большой, то можно установить снаружи корпуса. Ещё одним преимуществом является бесшумная работа (только небольшой шум вентилятора на радиаторе).

Недостатками, однако, являются ненадежность компонентов системы (обычно отказывают муфта насоса и шланги) и высокая цена водяного охлаждения.

В заключение, если вам интересно, охлаждать ли компьютер воздухом или жидкостью, выберите первое, если:

• у вас скромный бюджет на покупку охлаждения
• у вас много места в корпусе
• вы не будете использовать экстремальный разгон
• вы не против шума вентиляторов

На водяное охлаждение стоит решаться, если:

• финансы позволяют вам купить профессиональную качественную систему
• у вас мало места в корпусе
• вы используете экстремальный разгон
• вам важна тихая работа компьютера
• компьютер работает в маленькой теплой комнате

Какая мощность нужна для игрового компьютера?

Следующий шаг — подбор необходимой мощности. И вот тут глаза начинают действительно разбегаться, потому что блоки питания имеют мощность от 200 до 2500 Ватт. Как понять, какую мощность нужно обеспечить своему компьютеру? Тут все зависит от того, что именно вы собираетесь запитывать — минималистичный офисный ПК, не очень мощный игровой компьютер или крутую геймерскую станцию на несколько видеокарт.

В случае, если вы используете самый минимум, то есть материнскую плату, пару вентиляторов и процессор с интегрированным видеочипом без полноценной видеокарты, то вам вполне хватит простого блока питания на 300-400 Вт. Для ПК со «встройкой» большего и не нужно, так зачем переплачивать за мощный БП, который не будет задействован даже наполовину? Разумеется, он тоже будет работать, но это не совсем резонная трата денег.

Блок питания на 650 Ватт — отличный выбор для тех, кто использует стандартную связку из одного мощного процессора и такой же мощной видеокартыБлок питания на 650 Ватт — отличный выбор для тех, кто использует стандартную связку из одного мощного процессора и такой же мощной видеокарты

Если же у вас типичный игровой компьютер с неплохой видеокартой, производительным процессором и, возможно, звуковой или сетевой картой, то энергии понадобится побольше — вплоть до 600 Вт. Вообще диапазон 450-600 Вт считается «золотой серединой», и подавляющее количество блоков питания для игровых ПК имеют именно такую мощность. Этого хватит, чтобы укомплектовать все необходимое для производительного гейминга.

600 Ватт будет вполне достаточно для системы на процессоре Intel Core i9-9900k и видеокарте Nvidia GeForce RTX 2080 Ti, причем в разгоне. Но только если речь идет о качественном 600-ваттнике с достаточно высоким напряжением по линии 12 Вольт. Об этом — в следующем разделе, а пока что продолжаем разговор о номинальной мощности.

Нет ничего плохого в том, чтобы взять БП с хорошим запасом мощности, к тому же он будет работать потишеНет ничего плохого в том, чтобы взять БП с хорошим запасом мощности, к тому же он будет работать потише

Так вот, неужели кому-то придется искать что-то еще более мощное, чем БП на 600 Вт? Да, особенно если речь идет о больших материнских платах с несколькими разъемами PCI-e x16. В них обычно вставляют видеокарты, а так как они часто потребляют много энергии, то и питания для нескольких карточек нужно побольше. Впрочем, бежать за БП на 1600 Вт вовсе необязательно. Для использования двух, трех или даже четырех видеокарт с головой хватит и 1000 Ватт.

Также стоит понимать, что мощность уходит и на другие комплектующие — жесткие диски, приводы и вентиляторы системы охлаждения. Чем больше у вас «начинки», тем больше электроэнергии будет «кушать» компьютер. Впрочем, даже если у вас полностью укомплектованный корпус типа Full-Tower с несколькими видеокартами, сетевой и звуковой картами, россыпью жестких дисков, а также приводами на все случаи жизни, то больше 1000 Вт все равно не потребуется.

Если вы любите точность и во всем стараетесь искать оптимум, то вы можете подсчитать энергозатраты самостоятельно. Для этого вам нужно посмотреть спецификации всех комплектующих и сложить вместе их энергопотребление в Ваттах. И вам даже не придется записывать все на бумаге, искать спецификации и складывать вручную, потому что сейчас в сети есть множество калькуляторов мощности БП. Вот один из самых удобных, но при желании можно найти и другие.

Заключение

В 2009 г. дизайнерский центр Semikron представил новую платформу на базе интеллектуальных силовых ключей SKiiP (рис. 11), предназначенную для использования в конверторах энергетических станций. Модульная конструкция, выбор режима охлаждения и возможность параллельного соединения базовых блоков позволяют использовать компоненты платформы для разработки преобразователей мощностью от 450 кВт до 2,5 МВт. Основные характеристики системы приведены в табл. 4. Новая разработка ориентирована в первую очередь на возобновляемые источники энергии, такие как ветроэнергетические и солнечные установки, а также малые гидроэлектростанции.

Рис. 11.
а) SKiiP RACK — базовый конструктив 4-квадрантного преобразователя;
б) внешний вид ячейки с жидкостным радиатором

Дизайн единичного модуля платформы SKiiP RACK позволяет ему работать в режиме воздушного и жидкостного охлаждения. Способ отвода тепла и конфигурация всей системы выбираются пользователем в зависимости от вида источника энергии и требуемой мощности.

Сборка SKiiP RACK включает все необходимые элементы монтажа, она может поставляться на раме или в шкафу в виде полностью законченной конструкции, имеющей силовые терминалы питания и выходов, а также штуцеры для подключения жидкостной системы охлаждения. Конструкция сборки содержит 3 вертикально расположенные ячейки, каждая из которых состоит из двух фазных блоков. Вес ячейки 26 кг, в звене постоянного тока применены полипропиленовые конденсаторы ELECTRONICON общей емкостью 3–5 мФ.

В режиме воздушного охлаждения SKiiP RACK дает возможность формировать 4-квадрантную систему мощностью до 1,5 МВт, вся сборка размещается в стандартном шкафу размером 600×600×1400 мм. При параллельном соединении ячеек с жидкостным охлаждением общая мощность инвертора достигает 2,5 МВт. В настоящее время в разработке находится платформа на базе компонентов SKiiP четвертого поколения, которая должна позволить увеличить токовые характеристики на 15–20% в тех же габаритах.