Digitale Regelung der Zwischenkreisspannung
Spannung runter spart Energie
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Optimierung des Algorithmus
Der Algorithmus zur Optimierung der Gesamtverlustleistung ist komplex und setzt sich aus vielen Sub-Iterationen zusammen. Als erstes erstellt eine Sequenz während des Hochfahrens eine Momentaufnahme der Stromversorgung. Sie ermittelt daraus einen Verlustleistungswert - „P-V0“ im Modell. Der Algorithmus ist aber nicht auf diese Funktion begrenzt, er könnte auch Messwerte wie die Verlustleistung überwachen.
Wenn dieser Referenzwert erfasst ist, beginnt der erste Zyklus, in dem die Verlustleistung kontinuierlich gemessen wird. Steigt die Verlustleistung über den anfänglichen Wert (P-V0), wird die Sequenz zur Optimierung der Zwischenkreisspannung gestartet. Dies geschieht durch das Senden eines Befehls an den Zwischenkreiswandler. Ist die optimale Verlustleistung erreicht, wird die Sequenz beendet.
Sobald die erste Sequenz beendet ist, überwacht der Supervisor die Verlustleistung. Ändert sich die Verlustleistung, wird die Optimierung erneut gestartet. Die Optimierungsschleife wird so lange ausgeführt, bis die Verlustleistung wieder den optimalen Wert erreicht. Neben der Verlustleistung wird auch die Stromstärke kontinuierlich überwacht, um einen Überstrom zu verhindern. Dadurch wird sichergestellt, dass die Zwischenkreisspannung immer auf einem optimalen Niveau liegt, um an der Last eine korrekte Versorgungsspannung zu garantieren
Bild 2 zeigt das Ergebnis der Optimierung. In dem Diagramm ist der Gesamtwirkungsgrad der dezentralen Stromversorgung unter verschiedenen Lastbedingungen eingetragen. Wie zu erwarten war, konnte der Wirkungsgrad bei sehr niedriger Last am deutlichsten gesteigert werden.
Aber auch im Teillastbereich zwischen 30 % und 50 % - ITK-Systeme werden im Durchschnitt zu 80 % der Betriebszeit nur zu 30 % bis 50 % ausgelastet - lässt sich der Gesamtwirkungsgrad durch eine Optimierung der Zwischenkreisspannung noch deutlich steigern.
Aus der Simulation der Stromversorgung einer Baugruppe lässt sich durch Vervielfachen der Leistungsersparnis der unmittelbaren Nutzen dieser Technik für große Rechenzentren abschätzen.
Die Tabellen 1 und 2 zeigen die Test- und Simulationsergebnisse für verschiedene Betriebsbereiche - in Tabelle 1 die eingesparte Verlustleistung, in Tabelle 2 die optimierte Zwischenkreisspannung.
|
ILast [%] | UE [V] | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| 36 | 45 | 55 | 65 | 75 | |
| 0 | 8,08 W | 8,25 W | 8,42 W | 8,50 W | 8,89 W |
| 10 | 7,07 W |
8,09 W |
7,22 W | 7,25 W | 7,17 W |
| 20 | 5,44 W | 5,38 W | 5,61 W | 5,80 W | 5,68 W |
| 30 | 3,86 W | 3,77 W | 4,03 W | 4,31 W | 4,25 W |
| 40 | 2,50 W | 2,41 W | 2,67 W | 2,97 W | 2,94 W |
| 50 | 1,41 W | 1,33 W | 1,57 W | 1,85 W | 1,81 W |
| 60 | 0,63 W | 0,58 W | 0,76 W | 0,98 W | 0,93 W |
| 70 | 0,18 W | 0,15 W | 0,25 W | 0,38 W | 0,34 W |
| 80 | 0,01 W | 0,00 W | 0,02 W | 0,07 W | 0,04 W |
| 90 | 0,06 W | 0,08 W | 0,03 W | 0,01 W | 0,03 W |
| 100 | 0,31 W | 0,35 W | 0,24 W | 0,19 W | 0,30 W |
Tabelle 1. Die Tabelle gibt die eingesparte Verlustleistung (ΔPV) abhängig von der relativen Belastung und der Eingangsspannung an.
| ILast [%] | UE [V] |
||||
|---|---|---|---|---|---|
| 36 | 45 | 55 | 65 | 75 | |
| 0 | 4,50 V | 4,50 V | 4,50 V |
4,50 V | 4,50 V |
| 10 | 4,50 V | 4,50 V | 4,50 V | 4,50 V | 4,50 V |
| 20 | 5,23 V | 5,30 V | 5,17 V | 4,98 V | 5,18 V |
| 30 | 6,60 V | 6,64 V | 6,48 V | 6,28 V | 6,39 V |
| 40 | 7,86 V | 7,90 V | 7,71 V | 7,51 V | 7,59 V |
| 50 | 9,03 V | 9,07 V | 8,87 V | 8,65 V | 8,74 V |
| 60 | 10,10 V | 10,15 V | 9,93 V | 9,71 V | 9,80 V |
| 70 | 11,05 V | 11,11 V | 10,88 V | 10,66 V | 10,77 V |
| 80 | 11,85 V | 11,92 V | 11,69 V | 11,48 V | 11,61 V |
| 90 | 12,47 V | 12,55 V | 12,33 V | 12,16 V | 12,31 V |
| 100 | 12,89 V | 12,98 V | 12,81 V | 12,70 V | 12,86 V |
Tabelle 2. Die Tabelle zeigt, auf welche Werte der Algorithmus die Zwischenkreisspannung (UZK) regelt, abhängig von der relativen Belastung und der Eingangsspannung.
Wie sich bereits in Bild 2 erkennen lässt, ist die Energieeinsparung bei geringer und mittlerer Last beeindruckend.
Eine Baugruppe, die z.B. an einer Eingangsspannung von 45 V betrieben wird und zu 30 % ausgelastet ist, lässt sich mit einer Zwischenkreisspannung von 6,64 V optimal betreiben. Aus Tabelle 1 ergibt sich unter diesen Bedingungen eine Leistungsersparnis von 3,77 W gegenüber einer Stromversorgung mit konstanter Zwischenkreisspannung von 12 V. 3,77 W mögen auf den ersten Blick als nicht viel erscheinen, aber sie summieren sich zu einer beachtlichen Leistung und Energiemenge, wenn Tausende solcher Baugruppen zu einem Rechenzentrum zusammgesetzt werden.
Bei einer Auslastung von 80 % wird der Punkt erreicht, an dem die Regelung die Zwischenkreisspannung auf 12 V regelt. In diesem Lastpunkt herrscht Gleichheit mit einer konstanten 12-V-Zwischenkreisstromversorgung. Eine leichte Erhöhung der Zwischenkreisspannung bei hoher Last (100 %) auf Werte über 12 V würde die Verlustleistung noch etwas verringern. Der Optimierungsalgorithmus würde auch unter diesen Bedingungen funktionieren.
Bei hoher Last hängen die Verteilungsverluste sehr stark vom Layout und von der Menge des Kupfers ab, das für die Leiterbahnen genutzt werden kann. In dieser Fallstudie wurden diese Verluste nicht berücksichtigt. Der Optimierungsalgorithmus ließe sich aber so ändern, dass auch diese Verluste berücksichtigt werden.
Die Fallstudie basiert auf DC/DC-Wandlern der 3E-Reihe von Ericsson Power Modules. Der Zwischenkreiswandler BMR453 aus dieser Reihe verfügt über eine automatische Anpassung an die Eingangsspannung mit integrierter Totzeitregelung. Demzufolge hat eine sich ändernde Eingangsspannung kaum Einfluss auf den Gesamtwirkungsgrad, wie die Kurvenscharen in Bild 3 und Bild 4 zeigen.
Bild 3 bezieht sich auf eine Eingangsspannung von 45 V, Bild 4 auf 75 V. Die jeweils oberen Kurvenscharen zeigen die Gesamtverlustleistung der Stromversorgung bei sich ändernder Ausgangslast - in 10-%-Schritten von 0 bis Volllast. Die unteren Diagramme zeigen den Eingangsstrom des Zwischenkreiswandlers bei ebenfalls in 10-%-Schritten variierender Last.
Die oberen Kurvenscharen in Bild 3 und Bild 4 zeigen nur geringfügige Unterschiede. Die optimierte Verlustleistung ist in beiden Arbeitsbereichen gleich und somit unabhängig von der Eingangsspannung. Die oberen Diagramme bestätigen, dass die Verlustleistung auf ein Minimum verringert wird, wenn die Zwischenkreisspannung optimiert wird. Bei geringer Last führt diese Optimierung zu einer niedrigeren Zwischenkreisspannung, bei hoher Last zu einer höheren Zwischenkreisspannung.
Das dynamische Anpassen der Zwischenkreisspannung an die Last bietet eine Möglichkeit, Energie im Teillastbetrieb einzusparen. Dies senkt die Energie- und Betriebskosten und kann, je nach Energiemix, auch zu geringeren CO2-Emissionen beitragen. Darüber hinaus ist der Algorithmus auch in der Lage, schnelle Lastwechsel zu steuern, z.B. wenn die Datenrate schnell von niedrig auf hoch schaltet. Der Optimierungsalgorithmus lässt sich individuell an die jeweilige Applikation anpassen - integriert in das Board- Powermanagement-IC, das autark ohne Einwirkung von außen arbeitet, oder über den PMBus per Start-und-Stopp-Befehl gesteuert.
Ganz gleich, welche Methode gewählt wird, die Optimierung der Zwischenkreisspannung wird immer Energie einsparen.
Der Autor:
| Patrick Le Fèvre |
|---|
| ist in Frankreich geboren und aufgewachsen und studierte Elektrotechnik, Mikroelektronik und industrielles Marketing und erhielt 1982 sein Diplom. Seitdem ist er im Bereich Strom-versorgung tätig. Zuerst bei Micro-Gisco - heute Convergie -, zog es ihn 1996 als Strategic Product Manager zu Ericsson nach Schweden. 2001 übernahm er die Posiion des Direktors für Vertrieb und Kommunikation im Bereich Leistungs-Module. |
patrick.le-fevre@ericsson.com
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